Научници данас замишљају да су атоми састављени од сићушних, тешких, позитивно наелектрисаних језгара окружених облацима изузетно лаганих, негативно наелектрисаних електрона. Овај модел датира из 1920-их, али порекло вуче из древне Грчке. Филозоф Демокрит је предложио постојање атома око 400. п. Нико се заиста није заузео за идеја са пуно жара све док енглески физичар Јохн Далтон није рано представио своју атомску теорију 1800-их. Далтонов модел је био непотпун, али је у основи остао непромењен током већег дела 19. века.
Мноштво истраживања атомског модела догодило се крајем 19. и дубоко у 20. веку, а кулминирало је Сцхродингеровим моделом атома, који је познат као модел облака. Убрзо након што га је физичар Ервин Сцхродингер представио 1926. године, Јамес Цхадвицк - још један енглески физичар - додао је пресудан део слике. Цхадвицк је одговоран за откривање постојања неутрона, неутралне честице која дели језгро са позитивно наелектрисаним протоном.
Цхадвицково откриће изнудило је ревизију модела облака, а научници понекад ревидирану верзију називају атомским моделом Јамес Цхадвицк-а. Откриће је Цхадвицку 1935. године донело Нобелову награду за физику и омогућило развој атомске бомбе. Цхадвицк је учествовао у супертајном пројекту Манхаттан, који је кулминирао размештањем нуклеарних бомби на Хирошиму и Нагасаки. Бомба је допринела предаји Јапана (многи историчари верују да би се Јапан ионако предао) и крају Другог светског рата. Цхадвицк је умро 1974.
Како је Цхадвицк открио неутрон?
Ј.Ј. Томпсон је открио електрон помоћу катодних цеви 1890-их, а британски физичар Ернест Рутхерфорд, такозвани отац нуклеарне физике, открио је протон 1919. Рутхерфорд је претпостављао да би се електрони и протони могли комбиновати да би створили неутралну честицу са отприлике исте масе као и протон, а научници су веровали да таква честица постоји неколико њих разлози. На пример, било је познато да језгро хелијума има атомски број 2, али масени број 4, што је значило да садржи неку врсту неутралне мистериозне масе. Ипак, нико никада није приметио неутрон нити доказао да постоји.
Цхадвицк-а је посебно занимао експеримент који су спровели Фредерик и Ирене Јолиот-Цурие, који су бомбардирали узорак берилија алфа зрачењем. Приметили су да је бомбардовање произвело непознато зрачење, а када су му дозволили да удари у узорак парафинског воска, приметили су како се високоенергетски протони одбацују из материјала.
Незадовољан објашњењем да је зрачење направљено од високоенергијских фотона, Чедвик дуплирао експеримент и закључио да зрачење мора бити састављено од тешких честица са не наплаћује се. Бомбардирајући друге материјале, укључујући хелијум, азот и литијум, Цхадвицк је успео да утврди да је маса сваке честице мало већа од масе протона.
Цхадвицк је објавио свој рад „Постојање неутрона“ у мају 1932. До 1934. године други истраживачи су утврдили да је неутрон заправо елементарна честица, а не комбинација протона и електрона.
Значај атомске теорије Чедвика
Савремена концепција атома задржава већину карактеристика планетарног модела основао Рутхерфорд, али са важним модификацијама које су увели Цхадвицк и дански физичар Неилс Бохр.
Бор је био тај који је уградио концепт дискретних орбита на које су електрони били ограничени. Он је ово засновао на квантним принципима који су у то време били нови, али који су се утврдили као научна стварност. Према Бохровом моделу, електрони заузимају дискретне орбите и када се преселе у другу орбиту, емитују или апсорбују не у континуираним количинама, већ у сноповима енергије, званим кванти.
Укључујући рад Бохра и Цхадвицка, савремена слика атома изгледа овако: Већина атома је празан простор. Негативно наелектрисани електрони круже око малог, али тешког језгра састављеног од протона и неутрона. Будући да квантна теорија, која се заснива на принципу несигурности, сматра електроне и таласима и честицама, они се не могу дефинитивно лоцирати. Можете говорити само о вероватноћи да се електрон налази у одређеном положају, па електрони чине облак вероватноће око језгра.
Број неутрона у језгру је обично исти као и број протона, али може бити различит. Атоми елемента који имају различит број неутрона називају се изотопи тог елемента. Већина елемената има један или више изотопа, а неки и неколико. Калај, на пример, има 10 стабилних изотопа и најмање двоструко више нестабилних, што му даје просечну атомску масу значајно различиту од двоструког атомског броја. Да се Јамес Цхадвицк-ово откриће неутрона никада није догодило, било би немогуће објаснити постојање изотопа.
Прилог Јамеса Цхадвицка атомској бомби
Чедвиково откриће неутрона довело је директно до развоја атомске бомбе. Пошто неутрони немају наелектрисање, могу дубље продрети у језгра циљних атома од протона. Неутронско бомбардовање атомских језгара постало је важан метод за добијање информација о карактеристикама језгара.
Научницима, међутим, није требало дуго да открију да је бомбардирање супер-тешког Уранијума-235 неутронима начин да се језгра разломи и ослободи огромна количина енергије. Фисијом уранијума настаје више високоенергетских неутрона који растављају остале атоме уранијума, а резултат је неконтролисана ланчана реакција. Једном када се ово сазнало, било је само питање развоја начина покретања реакције цепања на захтев у испоручивом кућишту. Дебели човек и Мали дечак, бомбе које су уништиле Хирошиму и Нагасаки, резултат су тајних ратних напора познатих као пројекат Менхетн који је спроведен управо ради тога.
Неутрони, радиоактивност и даље
Атомска теорија Цхадвицк-а такође омогућава разумевање радиоактивности. Неки минерали који се природно јављају - као и они које ствара човек - спонтано емитују зрачење, а разлог је повезан са релативним бројем протона и неутрона у језгру. Језгро је најстабилније када има једнак број, а постаје нестабилно када га има више од другог. У покушају да поврати стабилност, нестабилно језгро избацује енергију у облику алфа, бета или гама зрачења. Алфа зрачење се састоји од тешких честица, од којих се свака састоји од два протона и два неутрона. Бета зрачење се састоји од електрона и гама зрачења фотона.
У оквиру проучавања језгара и радиоактивности, научници су даље сецирали протоне и неутроне да би открили да су и сами састављени од мањих честица званих кваркови. Сила која држи протоне и неутроне у језгру назива се јака сила, а она која држи кваркове позната је као сила боје. Јака сила је нуспродукт силе боје, која сама зависи од размене глуона, који су још једна врста елементарних честица.
Разумевање које је омогућио атомски модел Јамес Цхадвицк-а увело је свет у нуклеарно доба, али врата у далеко тајновитији и замршенији свет су широм отворена. На пример, научници ће једног дана моћи доказати да је читав универзум, укључујући атомска језгра и кваркове од којих су направљени, састављен од бесконачно малих жица вибрационе енергије. Шта год открију, то ће учинити стојећи на раменима пионира попут Цхадвицка.