James Chadwick Teoria atomică

Oamenii de știință prezintă astăzi atomii ca fiind compuși din nuclee mici, grele, încărcate pozitiv, înconjurate de nori de electroni extrem de ușori, încărcați negativ. Acest model datează din anii 1920, dar își are originea în Grecia antică. Filosoful Democrit a propus existența atomilor în jurul anului 400 î.e.n. Nimeni nu a preluat cu adevărat idee cu orice fervoare până când fizicianul englez John Dalton și-a introdus teoria atomică la început Anii 1800. Modelul lui Dalton a fost incomplet, dar a persistat practic neschimbat în cea mai mare parte a secolului al XIX-lea.

O explozie de cercetări asupra modelului atomic a avut loc la sfârșitul secolului al XIX-lea și până în secolul al XX-lea, culminând cu modelul Schrodinger al atomului, cunoscut sub numele de modelul norului. La scurt timp după ce fizicianul Erwin Schrodinger a introdus-o în 1926, James Chadwick - un alt fizician englez - a adăugat o piesă crucială imaginii. Chadwick este responsabil pentru descoperirea existenței neutronului, particula neutră care împarte nucleul cu protonul încărcat pozitiv.

Descoperirea lui Chadwick a forțat o revizuire a modelului cloud, iar oamenii de știință se referă uneori la versiunea revizuită ca model atomic James Chadwick. Descoperirea i-a adus lui Chadwick Premiul Nobel pentru fizică din 1935 și a făcut posibilă dezvoltarea bombei atomice. Chadwick a participat la proiectul super-secret Manhattan, care a culminat cu desfășurarea de bombe nucleare pe Hiroshima și Nagasaki. Bomba a contribuit la predarea Japoniei (mulți istorici cred că Japonia s-ar fi predat oricum) și la sfârșitul celui de-al doilea război mondial. Chadwick a murit în 1974.

J.J. Thompson a descoperit electronul folosind tuburi catodice în anii 1890, iar fizicianul britanic Ernest Rutherford, așa-numitul tată al fizicii nucleare, a descoperit protonul în 1919. Rutherford a speculat că electronii și protonii s-ar putea combina pentru a produce o particulă neutră cu aproximativ aceeași masă ca un proton, iar oamenii de știință credeau că o astfel de particulă exista pentru mai mulți motive. De exemplu, se știa că nucleul de heliu are un număr atomic de 2, dar un număr de masă de 4, ceea ce însemna că conținea un fel de masă misterioasă neutră. Nimeni nu observase vreodată un neutron și nici nu dovedise că există.

Chadwick a fost deosebit de interesat de un experiment realizat de Frédéric și Irène Joliot-Curie, care bombardaseră o probă de beriliu cu radiații alfa. Aceștia au observat că bombardamentul a produs o radiație necunoscută și, când i-au permis să lovească o probă de parafină, au observat că protonii de mare energie sunt aruncați din material.

Nemulțumit de explicația că radiația a fost făcută din fotoni de mare energie, Chadwick a duplicat experimentul și a concluzionat că radiația trebuia să fie compusă din particule grele cu fara plata. Bombardând alte materiale, inclusiv heliu, azot și litiu, Chadwick a reușit să determine că masa fiecărei particule era puțin mai mare decât cea a unui proton.

Chadwick și-a publicat lucrarea „Existența unui neutron” în mai 1932. Până în 1934, alți cercetători au stabilit că neutronul este de fapt o particulă elementară și nu o combinație de protoni și electroni.

Concepția modernă a atomului păstrează majoritatea caracteristicilor modelului planetar stabilit de Rutherford, dar cu modificări importante introduse de Chadwick și fizicianul danez Neils Bohr.

Bohr a fost cel care a încorporat conceptul de orbite discrete la care erau limitați electronii. El a bazat acest lucru pe principiile cuantice care erau noi la acea vreme, dar care s-au stabilit ca realități științifice. Conform modelului Bohr, electronii ocupă orbite discrete, iar atunci când se deplasează pe o altă orbită, emit sau absorb nu în cantități continue, ci în mănunchiuri de energie, numite cuante.

Încorporând opera lui Bohr și Chadwick, imaginea modernă a atomului arată astfel: Majoritatea atomului este spațiu gol. Electronii încărcați negativ orbitează un nucleu mic, dar greu compus din protoni și neutroni. Deoarece teoria cuantică, care se bazează pe principiul incertitudinii, consideră electronii atât ca unde, cât și particule, aceștia nu pot fi localizați definitiv. Puteți vorbi doar despre probabilitatea ca un electron să fie într-o anumită poziție, astfel încât electronii formează un nor de probabilitate în jurul nucleului.

Numărul de neutroni din nucleu este de obicei același cu numărul de protoni, dar poate fi diferit. Atomii unui element care au un număr diferit de neutroni se numesc izotopi ai acelui element. Majoritatea elementelor au unul sau mai mulți izotopi, iar unii au mai mulți. Staniu, de exemplu, are 10 izotopi stabili și cel puțin de două ori mai mulți instabili, oferindu-i o masă atomică medie semnificativ diferită de dublul numărului său atomic. Dacă descoperirea neutronului de către James Chadwick nu ar fi avut loc niciodată, ar fi imposibil de explicat existența izotopilor.

Descoperirea neutronului de către Chadwick a dus direct la dezvoltarea bombei atomice. Deoarece neutronii nu au nicio sarcină, ei pot pătrunde mai adânc în nucleele atomilor țintă decât protonii. Bombardarea cu neutroni a nucleelor ​​atomice a devenit o metodă importantă pentru a obține informații despre caracteristicile nucleelor.

Oamenii de știință nu au durat mult să descopere, totuși, că bombardarea uraniului 235 super-greu cu neutroni a fost o modalitate de a distruge nucleele și a elibera o cantitate enormă de energie. Fisiunea uraniului produce mai mulți neutroni cu energie ridicată care separă alți atomi de uraniu, iar rezultatul este o reacție în lanț incontrolabilă. Odată cunoscut acest lucru, a fost doar o chestiune de a dezvolta o modalitate de a iniția reacția de fisiune la cerere într-o carcasă livrabilă. Fat Man și Little Boy, bombele care au distrus Hiroshima și Nagasaki, au fost rezultatul efortului secret de război cunoscut sub numele de Proiectul Manhattan care a fost condus pentru a face exact acest lucru.

Teoria atomică Chadwick face posibilă înțelegerea radioactivității. Unele minerale naturale - precum și cele produse de om - emit în mod spontan radiații, iar motivul are legătură cu numărul relativ de protoni și neutroni din nucleu. Un nucleu este cel mai stabil atunci când are un număr egal și devine instabil atunci când are mai mult decât unul. Într-un efort de a recâștiga stabilitatea, un nucleu instabil aruncă energie sub formă de radiații alfa, beta sau gamma. Radiația alfa este compusă din particule grele, fiecare constând din doi protoni și doi neutroni. Radiația beta constă din electroni și radiația gamma a fotonilor.

Ca parte a studiului nucleilor și radioactivității, oamenii de știință au disecat în continuare protoni și neutroni pentru a descoperi că sunt ei înșiși compuși din particule mai mici numite quarcuri. Forța care ține împreună protoni și neutroni în nucleu se numește forță puternică, iar cea care ține quarks împreună este cunoscută sub numele de forță de culoare. Forța puternică este un produs secundar al forței de culoare, care în sine depinde de schimbul de gluoni, care sunt încă un alt tip de particule elementare.

Înțelegerea făcută posibilă de modelul atomic James Chadwick a adus lumea în era nucleară, dar ușa către o lume mult mai misterioasă și complicată este larg deschisă. De exemplu, oamenii de știință pot dovedi într-o zi că întregul univers, inclusiv nucleele atomice și quarcii din care sunt făcuți, este compus din șiruri infinitezimale de energie vibrantă. Orice vor descoperi, o vor face stând pe umerii unor pionieri precum Chadwick.