Vedci si dnes predstavujú, že atómy sú zložené z malých, ťažkých, pozitívne nabitých jadier obklopených mrakmi extrémne ľahkých, negatívne nabitých elektrónov. Tento model pochádza z 20. rokov 20. storočia, ale pôvod má v starovekom Grécku. Filozof Democritus navrhol existenciu atómov okolo roku 400 p.n.l. Nikto sa v skutočnosti neujal nápad s akýmkoľvek ohňom, až kým anglický fyzik John Dalton na začiatku nezaviedol svoju atómovú teóriu 1800-te roky. Daltonov model bol neúplný, ale po väčšinu 19. storočia pretrvával v podstate nezmenený.
Závan výskumu atómového modelu sa uskutočnil na konci 19. a hlboko v 20. storočí a vyvrcholil Schrodingerovým modelom atómu, ktorý je známy ako cloudový model. Krátko po tom, ako to fyzik Erwin Schrodinger predstavil v roku 1926, pridal k obrázku zásadný kúsok ďalší anglický fyzik James Chadwick. Chadwick je zodpovedný za objavenie existencie neutrónu, neutrálnej častice, ktorá zdieľa jadro s pozitívne nabitým protónom.
Chadwickov objav si vynútil revíziu cloudového modelu a vedci niekedy hovoria o revidovanej verzii ako o atómovom modeli Jamesa Chadwicka. Tento objav priniesol Chadwickovi Nobelovu cenu za fyziku za rok 1935 a umožnil vývoj atómovej bomby. Chadwick sa podieľal na supertajnom projekte na Manhattane, ktorý vyvrcholil rozmiestnením jadrových bômb na Hirošimu a Nagasaki. Bomba prispela k kapitulácii Japonska (mnoho historikov sa domnieva, že by sa Japonsko aj tak vzdalo) a ku koncu druhej svetovej vojny. Chadwick zomrel v roku 1974.
Ako Chadwick objavil neutrón?
J J. Thompson objavil elektrón pomocou katódových trubíc v 90. rokoch 20. storočia a britský fyzik Ernest Rutherford, takzvaný otec jadrovej fyziky, objavil protón v roku 1919. Rutherford špekuloval, že by sa elektróny a protóny mohli spojiť a vytvoriť neutrálnu časticu s zhruba rovnakú hmotnosť ako protón a vedci sa domnievali, že takáto častica existuje niekoľko dôvodov. Napríklad sa vedelo, že jadro hélia má atómové číslo 2, ale hmotnostné číslo 4, čo znamená, že obsahuje nejaký druh neutrálnej záhadnej hmoty. Nikto však nikdy nepozoroval neutrón a nepreukázal, že existuje.
Chadwick sa osobitne zaujímal o experiment, ktorý uskutočnili Frédéric a Irène Joliot-Curie a ktorí bombardovali vzorku berýlia žiarením alfa. Poznamenali, že bombardovanie vyprodukovalo neznáme žiarenie, a keď ho nechali zasiahnuť vzorku parafínového vosku, pozorovali, ako sa z materiálu vrhajú protóny s vysokou energiou.
Nespokojný s vysvetlením, že žiarenie bolo vyrobené z vysokoenergetických fotónov, Chadwick duplikoval experiment a dospel k záveru, že žiarenie musí byť zložené z ťažkých častíc s bez poplatku. Bombardovaním iných materiálov vrátane hélia, dusíka a lítia dokázal Chadwick určiť, že hmotnosť každej častice bola o niečo väčšia ako hmotnosť protónu.
Chadwick v máji 1932 publikoval príspevok „Existencia neutrónu“. Do roku 1934 ďalší vedci zistili, že neutrón bol v skutočnosti elementárnou časticou a nie kombináciou protónov a elektrónov.
Dôležitosť Chadwickovej atómovej teórie
Moderná koncepcia atómu si zachováva väčšinu charakteristík planetárneho modelu založil Rutherford, ale s dôležitými úpravami, ktoré zaviedli Chadwick a dánsky fyzik Neils Bohr.
Bol to Bohr, kto včlenil koncept diskrétnych dráh, na ktoré boli elektróny obmedzené. Založil to na kvantových princípoch, ktoré boli v tom čase nové, ale ktoré sa ustálili ako vedecké reality. Podľa Bohrovho modelu elektróny obsadzujú diskrétne dráhy a pri prechode na inú obežnú dráhu emitujú alebo absorbujú nie v súvislých množstvách, ale vo zväzkoch energie, ktoré sa nazývajú kvantá.
Moderný obraz atómu, ktorý obsahuje prácu Bohra a Chadwicka, vyzerá takto: Väčšina atómu je prázdny priestor. Negatívne nabité elektróny obiehajú okolo malého, ale ťažkého jadra zloženého z protónov a neutrónov. Pretože kvantová teória, ktorá je založená na princípe neurčitosti, považuje elektróny za vlny aj častice, nemožno ich definitívne lokalizovať. Môžete len hovoriť o pravdepodobnosti, že elektrón bude v konkrétnej polohe, takže elektróny tvoria okolo jadra pravdepodobný oblak.
Počet neutrónov v jadre je zvyčajne rovnaký ako počet protónov, ale môže byť odlišný. Atómy prvku, ktoré majú rôzny počet neutrónov, sa nazývajú izotopy tohto prvku. Väčšina prvkov má jeden alebo viac izotopov a niektoré majú niekoľko. Napríklad cín má 10 stabilných izotopov a najmenej dvakrát toľko nestabilných, čo mu dáva priemernú atómovú hmotnosť významne odlišnú od dvojnásobku jeho atómového čísla. Keby k objavu neutrónov Jamesom Chadwickom nikdy nedošlo, bolo by nemožné vysvetliť existenciu izotopov.
Príspevok Jamesa Chadwicka k atómovej bombe
Chadwickov objav neutrónov viedol priamo k vývoju atómovej bomby. Pretože neutróny nemajú žiadny náboj, môžu preniknúť hlbšie do jadier cieľových atómov ako protóny. Neutrónové bombardovanie atómových jadier sa stalo dôležitou metódou na získanie informácií o vlastnostiach jadier.
Vedcom však netrvalo dlho odhaliť, že bombardovanie superťažkého uránu-235 neutrónmi bolo spôsobom, ako rozbiť jadrá a uvoľniť enormné množstvo energie. Štiepenie uránu produkuje viac vysokoenergetických neutrónov, ktoré rozkladajú ďalšie atómy uránu, a výsledkom je nekontrolovateľná reťazová reakcia. Len čo to bolo známe, už išlo iba o to, vyvinúť spôsob, ako začať štiepnu reakciu na požiadanie v dodávateľnom obale. Tlstý muž a malý chlapec, bomby, ktoré zničili Hirošimu a Nagasaki, boli výsledkom tajného vojnového úsilia známeho ako projekt Manhattan, ktorý sa uskutočnil práve za týmto účelom.
Neutróny, rádioaktivita a ďalšie
Chadwickova atómová teória tiež umožňuje pochopiť rádioaktivitu. Niektoré prirodzene sa vyskytujúce minerály - aj tie, ktoré sú vyrobené človekom - spontánne emitujú žiarenie a dôvod súvisí s relatívnym počtom protónov a neutrónov v jadre. Jadro je najstabilnejšie, ak má rovnaké množstvo, a nestabilné sa stáva, ak obsahuje viac ako jedno. V úsilí o znovuzískanie stability nestabilné jadro odhodí energiu vo forme alfa, beta alebo gama žiarenia. Alfa žiarenie sa skladá z ťažkých častíc, z ktorých každá sa skladá z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Beta žiarenie sa skladá z elektrónov a gama žiarenia fotónov.
V rámci štúdia jadier a rádioaktivity vedci ďalej členili protóny a neutróny, aby zistili, že samotné sú zložené z menších častíc nazývaných kvarky. Sila, ktorá drží protóny a neutróny pohromade v jadre, sa nazýva silná sila a sila, ktorá drží pohromade kvarky, sa nazýva farebná sila. Silná sila je vedľajším produktom farebnej sily, ktorá sama závisí od výmeny gluónov, ktoré sú ešte ďalším typom elementárnych častíc.
Pochopenie, ktoré umožnil atómový model Jamesa Chadwicka, priviedlo svet do jadrového veku, ale dvere do oveľa tajomnejšieho a zložitejšieho sveta sú otvorené dokorán. Napríklad vedci môžu jedného dňa dokázať, že celý vesmír vrátane atómových jadier a kvarkov, z ktorých sú vyrobené, je zložený z nekonečne malých reťazcov vibračnej energie. Nech objavia čokoľvek, urobia to na pleciach priekopníkov ako Chadwick.