Današnji znanstveniki atome predstavljajo kot sestavljene iz drobnih, težkih, pozitivno nabitih jeder, obkroženih z oblaki izredno lahkih, negativno nabitih elektronov. Ta model sega v dvajseta leta 20. stoletja, izvira pa iz antične Grčije. Filozof Demokrit je predlagal obstoj atomov okoli 400 pr. Nihče se res ni lotil ideja z vnemo, dokler angleški fizik John Dalton ni zgodaj predstavil svoje atomske teorije 1800-ih. Daltonov model je bil nepopoln, vendar je v glavnem obstajal nespremenjen skozi večino 19. stoletja.
Razmah raziskav atomskega modela se je zgodil konec 19. in vse do 20. stoletja, vrhunec pa je bil Schrodingerjev model atoma, ki je znan kot model oblaka. Kmalu zatem, ko ga je fizik Erwin Schrodinger predstavil leta 1926, je James Chadwick - še en angleški fizik - dodal ključni del slike. Chadwick je odgovoren za odkritje obstoja nevtrona, nevtralnega delca, ki deli jedro s pozitivno nabitim protonom.
Chadwickovo odkritje je zahtevalo revizijo oblačnega modela, znanstveniki pa včasih revidirano različico imenujejo tudi atomski model Jamesa Chadwicka. Odkritje je Chadwicku leta 1935 prineslo Nobelovo nagrado za fiziko in omogočilo razvoj atomske bombe. Chadwick je sodeloval v supertajnem projektu Manhattan, ki je dosegel vrhunec z namestitvijo jedrskih bomb na Hirošimo in Nagasaki. Bomba je prispevala k predaji Japonske (mnogi zgodovinarji menijo, da bi se Japonska vseeno predala) in koncu druge svetovne vojne. Chadwick je umrl leta 1974.
Kako je Chadwick odkril nevtron?
J.J. Thompson je v devetdesetih letih odkril elektron z uporabo katodnih cevi, britanski fizik Ernest Rutherford, tako imenovani oče jedrske fizike, pa je leta 1919 odkril proton. Rutherford je domneval, da bi se elektroni in protoni lahko kombinirali, da bi ustvarili nevtralni delci približno enake mase kot proton, in znanstveniki so verjeli, da tak delec obstaja že več razlogi. Na primer, bilo je znano, da ima jedro helija atomsko število 2, a masno število 4, kar pomeni, da vsebuje nekakšno nevtralno skrivnostno maso. Nihče pa še nikoli ni opazil ali dokazal, da obstaja.
Chadwicka je še posebej zanimal eksperiment, ki sta ga izvedla Frédéric in Irène Joliot-Curie, ki sta vzorec berilija bombardirala z alfa sevanjem. Opazili so, da je bombardiranje povzročilo neznano sevanje, in ko so mu dovolili, da je udaril vzorec parafinskega voska, so opazili, da se iz materiala odnesejo visokoenergijski protoni.
Nezadovoljen z razlago, da so sevali visokoenergijski fotoni, Chadwick podvojil poskus in zaključil, da mora biti sevanje sestavljeno iz težkih delcev z brezplačno. Z bombardiranjem drugih materialov, vključno s helijem, dušikom in litijem, je Chadwick lahko ugotovil, da je bila masa vsakega delca nekoliko večja od mase protona.
Chadwick je maja 1932 objavil svoj članek "Obstoj nevtrona". Do leta 1934 so drugi raziskovalci ugotovili, da je nevtron v resnici osnovni delec in ne kombinacija protonov in elektronov.
Pomen Chadwickove atomske teorije
Sodobna zasnova atoma ohranja večino značilnosti planetarnega modela ustanovil Rutherford, vendar s pomembnimi spremembami, ki sta jih uvedla Chadwick in danski fizik Neils Bohr.
Bohr je bil tisti, ki je vključil koncept diskretnih orbit, na katere so bili elektroni zaprti. To je temeljil na kvantnih načelih, ki so bila takrat nova, a so se uveljavila kot znanstvena resničnost. Po Bohrovem modelu elektroni zasedajo diskretne orbite in ko se premaknejo na drugo orbito, oddajajo ali absorbirajo ne v neprekinjenih količinah, temveč v snopih energije, imenovanih kvanti.
Sodobna slika atoma, ki vključuje Bohrovo in Chadwickovo delo, je videti takole: večina atoma je prazen prostor. Negativno nabiti elektroni krožijo okoli majhnega, a težkega jedra, sestavljenega iz protonov in nevtronov. Ker kvantna teorija, ki temelji na načelu negotovosti, obravnava elektrone kot valove in delce, jih ni mogoče dokončno locirati. Lahko govorite le o verjetnosti, da je elektron v določenem položaju, zato elektroni tvorijo verjetnostni oblak okoli jedra.
Število nevtronov v jedru je običajno enako številu protonov, lahko pa je različno. Atomi elementa, ki imajo različno število nevtronov, se imenujejo izotopi tega elementa. Večina elementov ima enega ali več izotopov, nekateri pa več. Kositer ima na primer 10 stabilnih izotopov in vsaj dvakrat toliko nestabilnih, kar mu daje povprečno atomsko maso, ki se bistveno razlikuje od dvakratnega atomskega števila. Če do odkritja nevtrona Jamesa Chadwicka nikoli ne bi prišlo, ne bi bilo mogoče razložiti obstoja izotopov.
Prispevek Jamesa Chadwicka k atomski bombi
Chadwickovo odkritje nevtrona je privedlo neposredno do razvoja atomske bombe. Ker nevtroni nimajo naboja, lahko prodrejo globlje v jedra ciljnih atomov kot protoni. Nevtronsko bombardiranje atomskih jeder je postalo pomembna metoda za pridobivanje informacij o značilnostih jeder.
Vendar znanstveniki niso kmalu odkrili, da je bilo bombardiranje nadtežkega Urana-235 z nevtroni način razbitja jeder in sproščanja ogromne količine energije. Pri cepitvi urana nastane več visokoenergijskih nevtronov, ki razgradijo druge atome urana, rezultat pa je neobvladljiva verižna reakcija. Ko je bilo to znano, je šlo le za razvoj načina za sprožitev cepitvene reakcije na zahtevo v dobavljivem ohišju. Debeli mož in mali fant, bombe, ki so uničile Hirošimo in Nagasaki, so bile rezultat tajnih vojnih prizadevanj, znanih kot projekt Manhattan, ki so ga izvedli prav za to.
Nevtroni, radioaktivnost in naprej
Chadwickova atomska teorija omogoča tudi razumevanje radioaktivnosti. Nekateri naravni minerali - pa tudi umetni - spontano oddajajo sevanje, razlog pa je povezan z relativnim številom protonov in nevtronov v jedru. Jedro je najbolj stabilno, če ima enako število, in postane nestabilno, ko ga ima več kot drugo. Da bi si povrnil stabilnost, nestabilno jedro vrže energijo v obliki alfa, beta ali gama sevanja. Alfa-sevanje je sestavljeno iz težkih delcev, od katerih sta vsak sestavljena iz dveh protonov in dveh nevtronov. Beta sevanje je sestavljeno iz elektronov in gama sevanja fotonov.
V okviru preučevanja jeder in radioaktivnosti so znanstveniki nadalje secirali protone in nevtrone, da bi ugotovili, da so sami sestavljeni iz manjših delcev, imenovanih kvarki. Sila, ki v jedru drži protone in nevtrone, se imenuje močna sila, tista, ki drži kvarke, pa je znana kot barvna sila. Močna sila je stranski produkt barvne sile, ki je sama odvisna od izmenjave gluonov, ki so še ena vrsta osnovnih delcev.
Razumevanje, ki ga je omogočil atomski model Jamesa Chadwicka, je svet pripeljalo v jedrsko dobo, a vrata v precej bolj skrivnosten in zapleten svet so na široko odprta. Na primer, znanstveniki bodo lahko nekega dne dokazali, da je celotno vesolje, vključno z atomskimi jedri in kvarki, iz katerih so narejeni, sestavljeno iz neskončno majhnih nizov vibrirajoče energije. Karkoli odkrijejo, bodo to storili stoječ na ramenih pionirjev, kot je Chadwick.