Wetenschappers stellen zich tegenwoordig voor dat atomen zijn samengesteld uit kleine, zware, positief geladen kernen omringd door wolken van extreem lichte, negatief geladen elektronen. Dit model dateert uit de jaren 1920, maar heeft zijn oorsprong in het oude Griekenland. De filosoof Democritus stelde het bestaan van atomen voor rond 400 voor Christus. Niemand nam de idee met enige ijver totdat de Engelse natuurkundige John Dalton zijn atoomtheorie in het begin introduceerde jaren 1800. Het model van Dalton was onvolledig, maar het bleef vrijwel onveranderd gedurende het grootste deel van de 19e eeuw.
Aan het einde van de 19e en ver in de 20e eeuw vond een golf van onderzoek naar het atoommodel plaats, met als hoogtepunt het Schrödinger-model van het atoom, dat bekend staat als het wolkenmodel. Kort nadat natuurkundige Erwin Schrodinger het in 1926 introduceerde, voegde James Chadwick - een andere Engelse natuurkundige - een cruciaal stuk toe aan het plaatje. Chadwick is verantwoordelijk voor het ontdekken van het bestaan van het neutron, het neutrale deeltje dat de kern deelt met het positief geladen proton.
De ontdekking van Chadwick dwong een herziening van het cloudmodel af, en wetenschappers verwijzen soms naar de herziene versie als het atoommodel van James Chadwick. De ontdekking leverde Chadwick in 1935 de Nobelprijs voor natuurkunde op en maakte de ontwikkeling van de atoombom mogelijk. Chadwick nam deel aan het supergeheime Manhattan-project, dat culmineerde in de ontplooiing van atoombommen op Hiroshima en Nagasaki. De bom droeg bij aan de overgave van Japan (veel historici geloven dat Japan zich sowieso zou hebben overgegeven) en het einde van de Tweede Wereldoorlog. Chadwick stierf in 1974.
Hoe ontdekte Chadwick het neutron?
JJ Thompson ontdekte het elektron met behulp van kathodestraalbuizen in de jaren 1890, en de Britse natuurkundige Ernest Rutherford, de zogenaamde vader van de kernfysica, ontdekte het proton in 1919. Rutherford speculeerde dat elektronen en protonen zouden kunnen combineren om een neutraal deeltje te produceren met ongeveer dezelfde massa als een proton, en wetenschappers geloofden dat zo'n deeltje al meerdere jaren bestond redenen. Het was bijvoorbeeld bekend dat de heliumkern een atoomnummer van 2 heeft maar een massagetal van 4, wat betekende dat het een soort neutrale mysteriemassa bevatte. Niemand had echter ooit een neutron waargenomen of bewezen dat het bestond.
Chadwick was vooral geïnteresseerd in een experiment van Frédéric en Irène Joliot-Curie, die een monster beryllium met alfastraling hadden gebombardeerd. Ze merkten op dat het bombardement een onbekende straling produceerde, en toen ze het een monster van paraffine lieten raken, zagen ze dat hoogenergetische protonen uit het materiaal werden geslingerd.
Ontevreden met de verklaring dat de straling werd gemaakt van hoogenergetische fotonen, Chadwick dupliceerde het experiment en concludeerde dat de straling moest bestaan uit zware deeltjes met geen toeslag. Door andere materialen te bombarderen, waaronder helium, stikstof en lithium, kon Chadwick bepalen dat de massa van elk deeltje iets meer was dan die van een proton.
Chadwick publiceerde zijn artikel "The Existence of a Neutron" in mei 1932. Tegen 1934 hadden andere onderzoekers vastgesteld dat het neutron in feite een elementair deeltje was en geen combinatie van protonen en elektronen.
Het belang van de Chadwick-atoomtheorie The
De moderne opvatting van het atoom behoudt de meeste kenmerken van het planetaire model opgericht door Rutherford, maar met belangrijke wijzigingen geïntroduceerd door Chadwick en de Deense natuurkundige Neils Bohr.
Het was Bohr die het concept van discrete banen waarin elektronen waren opgesloten, incorporeerde. Hij baseerde zich daarbij op kwantumprincipes die toen nieuw waren maar inmiddels als wetenschappelijke realiteit zijn ingeburgerd. Volgens het Bohr-model nemen elektronen discrete banen in, en wanneer ze naar een andere baan gaan, zenden of absorberen ze niet in continue hoeveelheden, maar in bundels van energie, quanta genaamd.
Met het werk van Bohr en Chadwick ziet het moderne beeld van het atoom er als volgt uit: het grootste deel van het atoom is lege ruimte. Negatief geladen elektronen draaien om een kleine maar zware kern die bestaat uit protonen en neutronen. Omdat de kwantumtheorie, die gebaseerd is op het onzekerheidsprincipe, elektronen zowel als golven als deeltjes beschouwt, kunnen ze niet definitief worden gelokaliseerd. Je kunt alleen praten over de waarschijnlijkheid dat een elektron zich in een bepaalde positie bevindt, dus de elektronen vormen een waarschijnlijkheidswolk rond de kern.
Het aantal neutronen in de kern is meestal hetzelfde als het aantal protonen, maar het kan verschillen. Atomen van een element met een verschillend aantal neutronen worden isotopen van dat element genoemd. De meeste elementen hebben een of meer isotoop, en sommige hebben er meerdere. Tin heeft bijvoorbeeld 10 stabiele isotopen en minstens twee keer zoveel onstabiele, waardoor het een gemiddelde atoommassa heeft die aanzienlijk verschilt van twee keer zijn atoomnummer. Als James Chadwick's ontdekking van het neutron nooit had plaatsgevonden, zou het onmogelijk zijn om het bestaan van isotopen te verklaren.
James Chadwick's bijdrage aan de atoombom
Chadwicks ontdekking van het neutron leidde rechtstreeks tot de ontwikkeling van de atoombom. Omdat neutronen geen lading hebben, kunnen ze dieper doordringen in de kernen van doelatomen dan protonen. Neutronenbombardement van atoomkernen werd een belangrijke methode om informatie te verkrijgen over de eigenschappen van kernen.
Het duurde echter niet lang voordat wetenschappers ontdekten dat het bombarderen van superzwaar uranium-235 met neutronen een manier was om de kernen uit elkaar te halen en een enorme hoeveelheid energie vrij te maken. De splijting van uranium produceert meer hoogenergetische neutronen die andere uraniumatomen afbreken, en het resultaat is een oncontroleerbare kettingreactie. Toen dit eenmaal bekend was, was het alleen nog een kwestie van het ontwikkelen van een manier om de splijtingsreactie op aanvraag te initiëren in een leverbare behuizing. Fat Man en Little Boy, de bommen die Hiroshima en Nagasaki vernietigden, waren het resultaat van de geheime oorlogsinspanning die bekend staat als het Manhattan-project en die werd uitgevoerd om precies dat te doen.
Neutronen, radioactiviteit en meer
De Chadwick Atomic Theory maakt het ook mogelijk om radioactiviteit te begrijpen. Sommige natuurlijk voorkomende mineralen - evenals door de mens gemaakte mineralen - zenden spontaan straling uit, en de reden heeft te maken met het relatieve aantal protonen en neutronen in de kern. Een kern is het meest stabiel wanneer het een gelijk aantal heeft, en het wordt onstabiel wanneer het meer van de ene heeft dan de andere. In een poging om de stabiliteit te herwinnen, werpt een onstabiele kern energie af in de vorm van alfa-, bèta- of gammastraling. Alfastraling bestaat uit zware deeltjes, elk bestaande uit twee protonen en twee neutronen. Bètastraling bestaat uit elektronen en gammastraling uit fotonen.
Als onderdeel van de studie van kernen en radioactiviteit hebben wetenschappers protonen en neutronen verder ontleed om te ontdekken dat ze zelf zijn samengesteld uit kleinere deeltjes die quarks worden genoemd. De kracht die protonen en neutronen in de kern bij elkaar houdt, wordt de sterke kracht genoemd, en de kracht die quarks bij elkaar houdt, staat bekend als de kleurenkracht. De sterke kracht is een bijproduct van de kleurkracht, die zelf afhangt van de uitwisseling van gluonen, weer een ander type elementair deeltje.
Het begrip dat mogelijk is gemaakt door het atoommodel van James Chadwick heeft de wereld in het nucleaire tijdperk gebracht, maar de deur naar een veel mysterieuzere en ingewikkelder wereld staat wijd open. Wetenschappers kunnen bijvoorbeeld ooit bewijzen dat het hele universum, inclusief atoomkernen en de quarks waaruit ze zijn gemaakt, is samengesteld uit oneindig kleine strengen van vibrerende energie. Wat ze ook ontdekken, ze doen het op de schouders van pioniers als Chadwick.