Naukowcy wyobrażają sobie dzisiaj, że atomy składają się z maleńkich, ciężkich, dodatnio naładowanych jąder otoczonych chmurami niezwykle lekkich, ujemnie naładowanych elektronów. Model ten pochodzi z lat 20. XX wieku, ale wywodzi się ze starożytnej Grecji. Filozof Demokryt zaproponował istnienie atomów około 400 r. p.n.e. Nikt tak naprawdę nie zajął się pomysł z jakimkolwiek zapałem, dopóki angielski fizyk John Dalton nie przedstawił na początku swojej teorii atomowej XIX wieku. Model Daltona był niekompletny, ale przetrwał w zasadzie niezmieniony przez większą część XIX wieku.
Gwałtowny rozwój badań nad modelem atomowym nastąpił pod koniec XIX i długo w XX wieku, czego kulminacją był model atomu Schrodingera, znany jako model chmury. Niedługo po tym, jak fizyk Erwin Schrodinger przedstawił go w 1926 r., James Chadwick – inny angielski fizyk – dodał kluczowy element do obrazu. Chadwick jest odpowiedzialny za odkrycie istnienia neutronu, neutralnej cząstki, która dzieli jądro z dodatnio naładowanym protonem.
Odkrycie Chadwicka wymusiło rewizję modelu chmury, a naukowcy czasami nazywają zrewidowaną wersję modelem atomowym Jamesa Chadwicka. Odkrycie przyniosło Chadwickowi w 1935 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki i umożliwiło opracowanie bomby atomowej. Chadwick brał udział w supertajnym projekcie Manhattan, którego kulminacją było rozmieszczenie bomb nuklearnych na Hiroszimie i Nagasaki. Bomba przyczyniła się do kapitulacji Japonii (wielu historyków uważa, że Japonia i tak by się poddała) i zakończenia II wojny światowej. Chadwick zmarł w 1974 roku.
Jak Chadwick odkrył neutron?
JJ Thompson odkrył elektron za pomocą lamp katodowych w latach 90. XIX wieku, a brytyjski fizyk Ernest Rutherford, tak zwany ojciec fizyki jądrowej, odkrył proton w 1919 r. Rutherford spekulował, że elektrony i protony mogą łączyć się, tworząc neutralną cząstkę o mniej więcej taka sama masa jak proton, a naukowcy wierzyli, że taka cząstka istniała przez kilka powodów. Na przykład wiadomo było, że jądro helu ma liczbę atomową 2, ale liczbę masową 4, co oznaczało, że zawiera ono jakiś rodzaj neutralnej tajemniczej masy. Nikt jednak nigdy nie zaobserwował neutronu ani nie udowodnił, że istnieje.
Chadwicka szczególnie zainteresował eksperyment przeprowadzony przez Frédérica i Irène Joliot-Curie, którzy zbombardowali próbkę berylu promieniowaniem alfa. Zauważyli, że bombardowanie wytworzyło nieznane promieniowanie, a kiedy pozwolili mu uderzyć w próbkę parafiny, zaobserwowali wyrzucanie z materiału protonów o wysokiej energii.
Niezadowolony z wyjaśnienia, że promieniowanie powstało z wysokoenergetycznych fotonów, Chadwick powtórzył eksperyment i doszedł do wniosku, że promieniowanie musi składać się z ciężkich cząstek o bez opłat. Bombardując inne materiały, w tym hel, azot i lit, Chadwick był w stanie określić, że masa każdej cząstki była nieco większa niż masa protonu.
Chadwick opublikował swój artykuł „Istnienie neutronu” w maju 1932 roku. Do 1934 roku inni badacze ustalili, że neutron był w rzeczywistości cząstką elementarną, a nie kombinacją protonów i elektronów.
Znaczenie teorii atomowej Chadwicka
Współczesna koncepcja atomu zachowuje większość cech modelu planetarnego ustanowiony przez Rutherforda, ale z ważnymi modyfikacjami wprowadzonymi przez Chadwicka i duńskiego fizyka Neilsa Bohra.
To Bohr wprowadził koncepcję dyskretnych orbit, na których ograniczone były elektrony. Oparł to na zasadach kwantowych, które były wówczas nowe, ale które stały się rzeczywistością naukową. Zgodnie z modelem Bohra elektrony zajmują dyskretne orbity, a gdy przemieszczają się na inną orbitę, emitują lub pochłaniają nie w ciągłych ilościach, ale w wiązkach energii, zwanych kwantami.
Uwzględniając pracę Bohra i Chadwicka, współczesny obraz atomu wygląda tak: Większość atomu to pusta przestrzeń. Ujemnie naładowane elektrony krążą wokół małego, ale ciężkiego jądra złożonego z protonów i neutronów. Ponieważ teoria kwantów, oparta na zasadzie nieoznaczoności, traktuje elektrony zarówno jako fale, jak i cząstki, nie można ich jednoznacznie zlokalizować. Można mówić tylko o prawdopodobieństwie, że elektron znajduje się w określonej pozycji, więc elektrony tworzą chmurę prawdopodobieństwa wokół jądra.
Liczba neutronów w jądrze jest zwykle taka sama jak liczba protonów, ale może być inna. Atomy pierwiastka o różnej liczbie neutronów nazywane są izotopami tego pierwiastka. Większość pierwiastków ma jeden lub więcej izotopów, a niektóre mają ich kilka. Na przykład cyna ma 10 stabilnych izotopów i co najmniej dwa razy więcej niestabilnych, co daje jej średnią masę atomową znacznie różniącą się od dwukrotności jej liczby atomowej. Gdyby nigdy nie doszło do odkrycia neutronu przez Jamesa Chadwicka, nie byłoby możliwe wyjaśnienie istnienia izotopów.
Wkład Jamesa Chadwicka w bombę atomową
Odkrycie neutronu przez Chadwicka doprowadziło bezpośrednio do opracowania bomby atomowej. Ponieważ neutrony nie mają ładunku, mogą wnikać głębiej w jądra atomów docelowych niż protony. Bombardowanie jąder atomowych neutronami stało się ważną metodą pozyskiwania informacji o charakterystyce jąder.
Naukowcy szybko odkryli jednak, że bombardowanie superciężkiego Uranu-235 neutronami było sposobem na rozbicie jąder i uwolnienie ogromnej ilości energii. Rozszczepienie uranu wytwarza więcej wysokoenergetycznych neutronów, które rozbijają inne atomy uranu, czego wynikiem jest niekontrolowana reakcja łańcuchowa. Kiedy już to było znane, należało tylko opracować sposób na zainicjowanie reakcji rozszczepienia na żądanie w dostarczanej obudowie. Fat Man i Little Boy, bomby, które zniszczyły Hiroszimę i Nagasaki, były wynikiem tajnego wysiłku wojennego znanego jako Projekt Manhattan, który został przeprowadzony właśnie w tym celu.
Neutrony, radioaktywność i nie tylko
Teoria atomowa Chadwicka umożliwia również zrozumienie radioaktywności. Niektóre naturalnie występujące minerały – a także te wytworzone przez człowieka – spontanicznie emitują promieniowanie, a powodem jest względna liczba protonów i neutronów w jądrze. Jądro jest najbardziej stabilne, gdy ma taką samą liczbę, a staje się niestabilne, gdy ma więcej jednego niż drugiego. Próbując odzyskać stabilność, niestabilne jądro wyrzuca energię w postaci promieniowania alfa, beta lub gamma. Promieniowanie alfa składa się z ciężkich cząstek, z których każda składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Promieniowanie beta składa się z elektronów i promieniowania gamma fotonów.
W ramach badań nad jądrami i radioaktywnością naukowcy dokonali dalszej analizy protonów i neutronów, aby stwierdzić, że same składają się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Siła, która utrzymuje razem protony i neutrony w jądrze, nazywana jest oddziaływaniem silnym, a ta, która utrzymuje razem kwarki, jest znana jako siła koloru. Siła silna jest produktem ubocznym siły barwnej, która sama w sobie zależy od wymiany gluonów, które są jeszcze innym rodzajem cząstki elementarnej.
Zrozumienie możliwe dzięki modelowi atomowemu Jamesa Chadwicka wprowadziło świat w epokę nuklearną, ale drzwi do znacznie bardziej tajemniczego i zawiłego świata są szeroko otwarte. Na przykład naukowcy mogą pewnego dnia udowodnić, że cały wszechświat, łącznie z jądrami atomowymi i kwarkami, z których są zbudowane, składa się z nieskończenie małych strun wibrującej energii. Cokolwiek odkryją, zrobią to stojąc na ramionach pionierów takich jak Chadwick.