Сегодня ученые представляют атомы как состоящие из крошечных тяжелых положительно заряженных ядер, окруженных облаками чрезвычайно легких отрицательно заряженных электронов. Эта модель восходит к 1920-м годам, но берет свое начало в Древней Греции. Философ Демокрит предположил существование атомов около 400 г. до н. Э. Никто на самом деле не занялся идея с любым рвением, пока английский физик Джон Далтон не представил свою атомную теорию в раннем 1800-е годы. Модель Дальтона была неполной, но в основном оставалась неизменной на протяжении большей части XIX века.
Шквал исследований атомной модели произошел в конце 19-го и в самом начале 20-го века, кульминацией которых стала модель атома Шредингера, известная как модель облака. Вскоре после того, как в 1926 году физик Эрвин Шредингер представил его, Джеймс Чедвик - другой английский физик - добавил к этой картине важную деталь. Чедвик ответственен за открытие существования нейтрона, нейтральной частицы, которая разделяет ядро с положительно заряженным протоном.
Открытие Чедвика заставило пересмотреть модель облаков, и ученые иногда называют пересмотренную версию атомной моделью Джеймса Чедвика. Это открытие принесло Чедвику Нобелевскую премию 1935 года по физике и сделало возможным создание атомной бомбы. Чедвик участвовал в сверхсекретном манхэттенском проекте, кульминацией которого стало размещение ядерных бомб на Хиросиме и Нагасаки. Бомба способствовала капитуляции Японии (многие историки считают, что Япония все равно сдалась бы) и окончанию Второй мировой войны. Чедвик умер в 1974 году.
Как Чедвик обнаружил нейтрон?
J.J. Томпсон открыл электрон с помощью электронно-лучевых трубок в 1890-х годах, а британский физик Эрнест Резерфорд, так называемый отец ядерной физики, открыл протон в 1919 году. Резерфорд предположил, что электроны и протоны могут объединиться, чтобы произвести нейтральную частицу с примерно такой же массы, как протон, и ученые полагали, что такая частица существовала несколько причины. Например, было известно, что ядро гелия имеет атомный номер 2, но массовое число 4, что означает, что оно содержит некую нейтральную загадочную массу. Однако никто никогда не наблюдал нейтрон и не доказывал его существование.
Чедвик особенно интересовался экспериментом, проведенным Фредериком и Ирен Жолио-Кюри, которые бомбардировали образец бериллия альфа-излучением. Они отметили, что бомбардировка произвела неизвестное излучение, и когда они позволили ему поразить образец парафина, они наблюдали выброс протонов высокой энергии из материала.
Неудовлетворенный объяснением, что излучение состоит из фотонов высоких энергий, Чедвик повторил эксперимент и пришел к выводу, что излучение должно состоять из тяжелых частиц с бесплатно. Бомбардируя другие материалы, включая гелий, азот и литий, Чедвик смог определить, что масса каждой частицы немного больше массы протона.
Чедвик опубликовал свою статью «Существование нейтрона» в мае 1932 года. К 1934 году другие исследователи определили, что нейтрон на самом деле является элементарной частицей, а не комбинацией протонов и электронов.
Важность атомной теории Чедвика
Современная концепция атома сохраняет большинство характеристик планетарной модели. установлен Резерфордом, но с важными изменениями, внесенными Чедвиком и датским физиком Нилс Бор.
Именно Бор ввел понятие дискретных орбит, на которых были ограничены электроны. Он основал это на квантовых принципах, которые были новыми в то время, но которые стали научной реальностью. Согласно модели Бора, электроны занимают дискретные орбиты, и когда они переходят на другую орбиту, они излучают или поглощают не в непрерывном количестве, а в виде пучков энергии, называемых квантами.
Включая работы Бора и Чедвика, современная картина атома выглядит так: большая часть атома - это пустое пространство. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг небольшого, но тяжелого ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Поскольку квантовая теория, основанная на принципе неопределенности, рассматривает электроны как волны и частицы, их нельзя точно определить. Вы можете говорить только о вероятности того, что электрон находится в определенном положении, поэтому электроны образуют облако вероятности вокруг ядра.
Количество нейтронов в ядре обычно такое же, как количество протонов, но может быть другим. Атомы элемента с разным числом нейтронов называются изотопами этого элемента. Большинство элементов имеют один или несколько изотопов, а некоторые - несколько. Олово, например, имеет 10 стабильных изотопов и по крайней мере в два раза больше нестабильных, что дает ему среднюю атомную массу, значительно отличающуюся от удвоенного атомного номера. Если бы Джеймс Чедвик никогда не открыл нейтрон, было бы невозможно объяснить существование изотопов.
Вклад Джеймса Чедвика в создание атомной бомбы
Открытие Чедвиком нейтрона непосредственно привело к созданию атомной бомбы. Поскольку нейтроны не имеют заряда, они могут проникать в ядра атомов-мишеней глубже, чем протоны. Нейтронная бомбардировка атомных ядер стала важным методом получения информации о характеристиках ядер.
Однако ученым не потребовалось много времени, чтобы обнаружить, что бомбардировка сверхтяжелого урана-235 нейтронами была способом разрушения ядер и высвобождения огромного количества энергии. При делении урана образуется больше нейтронов высокой энергии, которые разрушают другие атомы урана, и в результате возникает неконтролируемая цепная реакция. Как только это стало известно, оставалось только разработать способ инициировать реакцию деления по запросу в поставляемой обсадной колонне. «Толстяк» и «Маленький мальчик», бомбы, уничтожившие Хиросиму и Нагасаки, были результатом секретных военных действий, известных как Манхэттенский проект, которые проводились именно для этого.
Нейтроны, радиоактивность и не только
Атомная теория Чедвика также позволяет понять радиоактивность. Некоторые природные минералы, а также созданные человеком, спонтанно испускают радиацию, и причина кроется в относительном количестве протонов и нейтронов в ядре. Ядро наиболее стабильно, когда у него равное количество, и оно становится нестабильным, когда одно в нем больше, чем другое. Пытаясь восстановить стабильность, нестабильное ядро испускает энергию в виде альфа-, бета- или гамма-излучения. Альфа-излучение состоит из тяжелых частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Бета-излучение состоит из электронов и гамма-излучения фотонов.
В рамках изучения ядер и радиоактивности ученые дополнительно проанализировали протоны и нейтроны и обнаружили, что они сами состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Сила, которая удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре, называется сильной силой, а сила, удерживающая кварки вместе, известна как цветовая сила. Сильное взаимодействие является побочным продуктом цветового взаимодействия, которое само по себе зависит от обмена глюонами, которые являются еще одним типом элементарных частиц.
Понимание, которое стало возможным благодаря атомной модели Джеймса Чедвика, привело мир в ядерный век, но дверь в гораздо более загадочный и запутанный мир широко открыта. Например, однажды ученые могут доказать, что вся Вселенная, включая атомные ядра и кварки, из которых они сделаны, состоит из бесконечно малых струн колеблющейся энергии. Что бы они ни открыли, они сделают это, стоя на плечах таких пионеров, как Чедвик.
