Forskere i dag ser for seg atomer består av små, tunge, positivt ladede kjerner omgitt av skyer av ekstremt lette, negativt ladede elektroner. Denne modellen dateres tilbake til 1920-tallet, men den har sin opprinnelse i det gamle Hellas. Filosofen Democritus foreslo eksistensen av atomer rundt 400 f.Kr. Ingen tok virkelig opp ide med hvilken som helst glød til den engelske fysikeren John Dalton introduserte sin atomteori tidlig 1800-tallet. Daltons modell var ufullstendig, men den vedvarte i utgangspunktet uendret gjennom det meste av 1800-tallet.
En strøm av forskning om atommodellen skjedde på slutten av det 19. og langt ut på det 20. århundre, som kulminerte i Schrodinger-modellen av atomet, som er kjent som skymodellen. Rett etter at fysikeren Erwin Schrodinger introduserte den i 1926, la James Chadwick - en annen engelsk fysiker - et viktig stykke til bildet. Chadwick er ansvarlig for å oppdage eksistensen av nøytron, den nøytrale partikkelen som deler kjernen med den positivt ladede protonen.
Chadwicks oppdagelse tvang en revisjon av skymodellen, og forskere refererer noen ganger til den reviderte versjonen som atommodellen James Chadwick. Oppdagelsen ga Chadwick Nobelprisen i fysikk i 1935, og det muliggjorde utviklingen av atombomben. Chadwick deltok i det superhemmelige Manhattan-prosjektet, som kulminerte med utplasseringen av atombomber på Hiroshima og Nagasaki. Bomben bidro til overgivelsen av Japan (mange historikere mener at Japan ville ha gitt seg uansett) og slutten av andre verdenskrig. Chadwick døde i 1974.
Hvordan oppdaget Chadwick nøytronen?
J.J. Thompson oppdaget elektronet ved hjelp av katodestrålerør på 1890-tallet, og den britiske fysikeren Ernest Rutherford, den såkalte kjernefysiske faren, oppdaget protonet i 1919. Rutherford spekulerte i at elektroner og protoner kunne kombineres for å produsere en nøytral partikkel med omtrent den samme massen som en proton, og forskere mente at en slik partikkel eksisterte i flere grunner. For eksempel var det kjent at heliumkjernen har et atomnummer på 2, men et massetall på 4, noe som betydde at den inneholdt en slags nøytral mysteriemasse. Ingen hadde noen gang observert et nøytron eller bevist at det eksisterte.
Chadwick var spesielt interessert i et eksperiment utført av Frédéric og Irène Joliot-Curie, som hadde bombardert en prøve av beryllium med alfastråling. De bemerket at bombardementet produserte en ukjent stråling, og da de tillot det å treffe en prøve av parafinvoks, observerte de at høyenergiprotoner kastes fra materialet.
Misfornøyd med forklaringen om at strålingen var laget av høgenergifotoner, Chadwick dupliserte eksperimentet og konkluderte med at strålingen måtte være sammensatt av tunge partikler med uten kostnad. Ved å bombardere andre materialer, inkludert helium, nitrogen og litium, klarte Chadwick å fastslå at massen til hver partikkel var litt mer enn en proton.
Chadwick publiserte sin artikkel "The Existence of a Neutron" i mai 1932. I 1934 hadde andre forskere bestemt at nøytronen faktisk var en elementær partikkel og ikke en kombinasjon av protoner og elektroner.
Betydningen av Chadwick Atomic Theory
Den moderne oppfatningen av atomet beholder de fleste av egenskapene til planetmodellen etablert av Rutherford, men med viktige modifikasjoner introdusert av Chadwick og dansk fysiker Neils Bohr.
Det var Bohr som innlemmet konseptet med diskrete baner som elektroner var begrenset til. Han baserte dette på kvanteprinsipper som var nye på den tiden, men som har blitt etablert som vitenskapelige virkeligheter. I følge Bohr-modellen okkuperer elektroner diskrete baner, og når de beveger seg til en annen bane, avgir eller absorberer de ikke i kontinuerlige mengder, men i bunter av energi, kalt kvanta.
Innlemme arbeidet til Bohr og Chadwick, ser det moderne bildet av atomet slik ut: Det meste av atomet er tomt rom. Negativt ladede elektroner kretser rundt en liten, men tung kjerne sammensatt av protoner og nøytroner. Fordi kvanteteori, som er basert på usikkerhetsprinsippet, betrakter elektroner som både bølger og partikler, kan de ikke lokaliseres definitivt. Du kan bare snakke om sannsynligheten for at et elektron er i en bestemt posisjon, så elektronene danner en sannsynlighetssky rundt kjernen.
Antall nøytroner i kjernen er vanligvis det samme som antall protoner, men det kan være forskjellig. Atomer av et element som har et annet antall nøytroner kalles isotoper av det elementet. De fleste elementene har en eller flere isotoper, og noen har flere. Tinn har for eksempel 10 stabile isotoper og minst dobbelt så mange ustabile, noe som gir den en gjennomsnittlig atommasse betydelig forskjellig fra dobbelt så atomnummeret. Hvis James Chadwicks oppdagelse av nøytronen aldri hadde skjedd, ville det være umulig å forklare eksistensen av isotoper.
James Chadwicks bidrag til atombomben
Chadwicks oppdagelse av nøytronen førte direkte til utviklingen av atombomben. Fordi nøytroner ikke har noen ladning, kan de trenge dypere inn i kjernene til målatomer enn protoner. Nøytronbombardering av atomkjerner ble en viktig metode for å få informasjon om kjernens egenskaper.
Det tok ikke forskere lang tid å oppdage at bombardering av supertungt Uranium-235 med nøytroner var en måte å bryte kjernene fra hverandre og frigjøre en enorm mengde energi. Spalting av uran produserer flere høyenergineutroner som bryter fra andre uranatomer, og resultatet er en ukontrollerbar kjedereaksjon. Når dette var kjent, handlet det bare om å utvikle en måte å initiere fisjoneringsreaksjonen på etterspørsel i et leverbart foringsrør. Fat Man and Little Boy, bombene som ødela Hiroshima og Nagasaki, var resultatet av den hemmelige krigsinnsatsen kjent som Manhattan-prosjektet som ble gjennomført for å gjøre nettopp det.
Nøytroner, radioaktivitet og videre
Chadwick Atomic Theory gjør det også mulig å forstå radioaktivitet. Noen naturlig forekommende mineraler - så vel som menneskeskapte - avgir spontant stråling, og årsaken har å gjøre med det relative antallet protoner og nøytroner i kjernen. En kjerne er mest stabil når den har like mange, og den blir ustabil når den har flere enn hverandre. I et forsøk på å gjenvinne stabilitet, kaster en ustabil kjerne energi i form av alfa-, beta- eller gammastråling. Alpha-stråling består av tunge partikler, som hver består av to protoner og to nøytroner. Betastråling består av elektroner og gammastråling av fotoner.
Som en del av studien av kjerner og radioaktivitet, har forskere videre dissekert protoner og nøytroner for å finne ut at de selv er sammensatt av mindre partikler som kalles kvarker. Kraften som holder protoner og nøytroner sammen i kjernen kalles sterk kraft, og den som holder kvarker sammen er kjent som fargekraften. Den sterke kraften er et biprodukt av fargekraften, som i seg selv avhenger av utvekslingen av gluoner, som er enda en type elementær partikkel.
Forståelsen muliggjort av atommodellen James Chadwick har ført verden inn i kjernefysisk tid, men døren til en langt mer mystisk og intrikat verden er vid åpen. For eksempel kan forskere en dag bevise at hele universet, inkludert atomkjerner og kvarkene de er laget av, er sammensatt av uendelig små strenger av vibrerende energi. Uansett hva de oppdager, vil de gjøre det stående på skuldrene til pionerer som Chadwick.
