Mūsdienās zinātnieki iedomājas, ka atomi sastāv no sīkiem, smagiem, pozitīvi uzlādētiem kodoliem, kurus ieskauj īpaši vieglu, negatīvi lādētu elektronu mākoņi. Šis modelis ir datēts ar 1920. gadu, taču tā izcelsme ir senajā Grieķijā. Filozofs Demokrits ierosināja atomu esamību ap 400. gadu p.m.ē. Neviens īsti nepieņēma ideja ar jebkuru degsmi līdz brīdim, kad angļu fiziķis Džons Daltons sākumā iepazīstināja ar savu atomu teoriju 1800. gadi. Daltona modelis bija nepilnīgs, taču tas gandrīz nemainījās gandrīz visu 19. gadsimtu.
Atomu modeļa izpēte notika 19. gadsimta beigās un 20. gadsimtā, un tas beidzās ar Šrodingera atoma modeli, kas ir pazīstams kā mākoņa modelis. Drīz pēc tam, kad fiziķis Ervins Šrodingers to ieviesa 1926. gadā, Džeimss Čadviks - vēl viens angļu fiziķis - pievienoja attēlam izšķirošu gabalu. Čadviks ir atbildīgs par neitrona, neitrālās daļiņas, kas dala kodolu ar pozitīvi uzlādēto protonu, esamības atklāšanu.
Čadvika atklājums piespieda pārskatīt mākoņa modeli, un zinātnieki pārskatīto versiju dažkārt dēvē par Džeimsa Čadvika atomu modeli. Šis atklājums Čadvikai nopelnīja 1935. gada Nobela prēmiju fizikā, un tas ļāva attīstīt atombumbu. Čadviks piedalījās īpaši slepenajā Manhetenas projektā, kura kulminācija bija kodolbumbu izvietošana Hirosimā un Nagasaki. Bumba veicināja Japānas padošanos (daudzi vēsturnieki uzskata, ka Japāna tomēr būtu padevusies) un Otrā pasaules kara beigām. Čadviks nomira 1974. gadā.
Kā Čadviks atklāja neitronu?
Dž. Tompsons elektronu atklāja, izmantojot katodstaru lampas 1890. gados, un britu fiziķis, tā dēvētais kodolfizikas tēvs, Ernests Rezerfords 1919. gadā. Rezerfords izteica pieņēmumu, ka elektroni un protoni varētu apvienoties, radot neitrālu daļiņu ar aptuveni tāda pati masa kā protonam, un zinātnieki uzskatīja, ka šāda daļiņa pastāv vairākiem iemeslu dēļ. Piemēram, bija zināms, ka hēlija kodola atoma skaitlis ir 2, bet masas skaitlis - 4, kas nozīmēja, ka tajā bija kaut kāda neitrāla noslēpuma masa. Neviens nekad nebija novērojis neitronu vai pierādījis, ka tas pastāv.
Čadviku īpaši ieinteresēja eksperiments, ko veica Frédéric un Irène Joliot-Curie, kuri bombardēja berilija paraugu ar alfa starojumu. Viņi atzīmēja, ka bombardēšana radīja nezināmu starojumu, un, kad viņi tai ļāva sist parafīna vaska paraugu, viņi novēroja no materiāla izšļakstošus augstas enerģijas protonus.
Neapmierināts ar paskaidrojumu, ka starojumu radīja augstas enerģijas fotoni Čadviks dublēja eksperimentu un secināja, ka starojums bija jāsastāv no smagām daļiņām ar bez maksas. Bombardējot citus materiālus, ieskaitot hēliju, slāpekli un litiju, Čadviks spēja noteikt, ka katras daļiņas masa ir nedaudz lielāka nekā protona.
Čadviks savu rakstu “Neitrona esamība” publicēja 1932. gada maijā. Līdz 1934. gadam citi pētnieki bija noteikuši, ka neitrons faktiski ir elementāra daļiņa, nevis protonu un elektronu kombinācija.
Čadvikas atomu teorijas nozīme
Mūsdienu atoma koncepcija saglabā lielāko daļu planētas modeļa īpašību izveidoja Rutherford, bet ar svarīgām modifikācijām, ko ieviesa Čadviks un dāņu fiziķis Neils Bohrs.
Tas bija Bohrs, kurš iekļāva jēdzienu par diskrētām orbītām, kurām elektroni bija ierobežoti. Viņš to pamatoja ar kvantu principiem, kas tajā laikā bija jauni, bet kas ir nostiprinājušies kā zinātniskā realitāte. Saskaņā ar Bohr modeli elektroni aizņem diskrētas orbītas, un, pārejot uz citu orbītu, tie izstaro vai absorbē nevis nepārtrauktos daudzumos, bet enerģijas saišķos, ko sauc par kvantiem.
Iekļaujot Bora un Čadvika darbu, mūsdienu atoma attēls izskatās šādi: Lielākā daļa atoma ir tukša telpa. Negatīvi lādēti elektroni riņķo ap mazu, bet smagu kodolu, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Tā kā kvantu teorija, kuras pamatā ir nenoteiktības princips, elektronus uzskata gan par viļņiem, gan par daļiņām, tos nevar galīgi atrast. Jūs varat runāt tikai par iespējamību, ka elektrons atrodas noteiktā stāvoklī, tāpēc elektroni ap kodolu veido varbūtības mākoni.
Neitronu skaits kodolā parasti ir vienāds ar protonu skaitu, bet tas var būt atšķirīgs. Elementa atomus, kuriem ir atšķirīgs neitronu skaits, sauc par šī elementa izotopiem. Lielākajai daļai elementu ir viens vai vairāki izotopi, un dažiem ir vairāki. Piemēram, alvai ir 10 stabili izotopi un vismaz divreiz vairāk nestabilu izotopu, tādējādi vidējā atoma masa ievērojami atšķiras no divkāršā atomu skaita. Ja Džeimsa Čadvika neitronu atklāšana nekad nebūtu notikusi, nebūtu iespējams izskaidrot izotopu esamību.
Džeimsa Čadvika ieguldījums Atombumbā
Čadviks atklāja neitronu, kas tieši noveda pie atombumbas izstrādes. Tā kā neitroniem nav lādiņa, tie var dziļāk iekļūt mērķa atomu kodolos nekā protoni. Atomu kodolu neitronu bombardēšana kļuva par svarīgu metodi, lai iegūtu informāciju par kodolu īpašībām.
Tomēr zinātniekiem nebija vajadzīgs ilgs laiks, lai atklātu, ka supersmagā Urāna-235 bombardēšana ar neitroniem bija veids, kā sadalīt kodolus un atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Urāna šķelšanās rada vairāk augstas enerģijas neitronu, kas sadala citus urāna atomus, un rezultāts ir nekontrolējama ķēdes reakcija. Kad tas bija zināms, bija tikai jāizstrādā veids, kā pēc pieprasījuma sākt sadalīšanās reakciju piegādājamā apvalkā. Resnais cilvēks un mazais zēns, bumbas, kas iznīcināja Hirosimu un Nagasaki, bija slepeno kara pūļu rezultāts, kas tika dēvēts par Manhetenas projektu un tika veikts tieši tāpēc.
Neitroni, radioaktivitāte un ne tikai
Čadvikas atomu teorija ļauj arī izprast radioaktivitāti. Daži dabiski sastopamie minerāli, kā arī cilvēka radītie, spontāni izstaro starojumu, un iemesls ir saistīts ar relatīvo protonu un neitronu skaitu kodolā. Kodols ir visstabilākais, ja tam ir vienāds skaits, un tas kļūst nestabils, ja tam ir vairāk nekā viens. Cenšoties atgūt stabilitāti, nestabils kodols izmet enerģiju alfa, beta vai gamma starojuma veidā. Alfa starojums sastāv no smagām daļiņām, katra sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem. Beta starojums sastāv no elektroniem un fotonu gamma starojuma.
Kodolu un radioaktivitātes izpētes ietvaros zinātnieki ir tālāk sadalījuši protonus un neitronus, lai noskaidrotu, ka tie paši sastāv no mazākām daļiņām, ko sauc par kvarkiem. Spēks, kas satur protonus un neitronus kopā kodolā, tiek saukts par spēcīgo spēku, un to, kas satur kvarkus kopā, sauc par krāsu spēku. Spēcīgais spēks ir krāsu spēka blakusprodukts, kas pats ir atkarīgs no gluonu apmaiņas, kas ir vēl viens elementārdaļiņu veids.
Džeimsa Čadvika atomu modeļa radītā sapratne ir ievedusi pasauli kodola laikmetā, bet durvis uz daudz noslēpumaināku un sarežģītāku pasauli ir plaši atvērtas. Piemēram, zinātnieki kādu dienu var pierādīt, ka viss Visums, ieskaitot atomu kodolus un kvarkus, no kuriem tie veidoti, sastāv no bezgalīgi mazām vibrējošās enerģijas virknēm. Lai ko viņi atklātu, viņi to darīs, stāvot uz tādu pionieru pleciem kā Čadviks.