James Chadwick Atomic Theory

Forskare föreställer idag atomer som består av små, tunga, positivt laddade kärnor omgivna av moln av extremt lätta, negativt laddade elektroner. Denna modell går tillbaka till 1920-talet, men den har sitt ursprung i det antika Grekland. Filosofen Democritus föreslog att det fanns atomer runt 400 f.Kr. Ingen tog verkligen upp idé med vilken glöd som helst tills den engelska fysikern John Dalton introducerade sin atomteori i början 1800-talet. Daltons modell var ofullständig, men den bestod i princip oförändrad under större delen av 1800-talet.

Ett flöde av forskning kring atommodellen inträffade i slutet av 1800-talet och långt in på 1900-talet, vilket kulminerade i Schrodinger-modellen av atomen, som är känd som molnmodellen. Strax efter att fysikern Erwin Schrodinger introducerade den 1926 lade James Chadwick - en annan engelsk fysiker - till en viktig del i bilden. Chadwick är ansvarig för att upptäcka neutronens existens, den neutrala partikeln som delar kärnan med den positivt laddade protonen.

Chadwicks upptäckt tvingade en översyn av molnmodellen, och forskare hänvisar ibland till den reviderade versionen som atommodellen James Chadwick. Upptäckten gav Chadwick Nobelpriset i fysik 1935, och det möjliggjorde utvecklingen av atombomben. Chadwick deltog i det superhemliga Manhattan-projektet, som kulminerade i utplaceringen av kärnbomber på Hiroshima och Nagasaki. Bomben bidrog till Japans överlämnande (många historiker tror att Japan ändå skulle ha kapitulerat) och till slutet av andra världskriget. Chadwick dog 1974.

J.J. Thompson upptäckte elektronen med hjälp av katodstrålerör på 1890-talet och den brittiska fysikern Ernest Rutherford, den så kallade kärnfysikfadern, upptäckte protonen 1919. Rutherford spekulerade i att elektroner och protoner kunde kombineras för att producera en neutral partikel med ungefär samma massa som en proton, och forskare trodde att en sådan partikel fanns i flera skäl. Det var till exempel känt att heliumkärnan har ett atomnummer på 2 men ett massnummer på 4, vilket innebar att den innehöll någon form av neutral mysteriemassa. Ingen hade dock någonsin observerat en neutron eller bevisat att den fanns.

Chadwick var särskilt intresserad av ett experiment utfört av Frédéric och Irène Joliot-Curie, som hade bombarderat ett prov av beryllium med alfastrålning. De noterade att bombardemanget gav en okänd strålning, och när de tillät det att träffa ett prov av paraffinvax såg de att högenergiprotoner kastades från materialet.

Missnöjd med förklaringen att strålningen gjordes av högenergifotoner, Chadwick duplicerade experimentet och drog slutsatsen att strålningen måste bestå av tunga partiklar med utan kostnad. Genom att bombardera andra material, inklusive helium, kväve och litium, kunde Chadwick avgöra att massan av varje partikel var lite mer än för en proton.

Chadwick publicerade sin uppsats "The Existence of a Neutron" i maj 1932. År 1934 hade andra forskare bestämt att neutronen i själva verket var en elementär partikel och inte en kombination av protoner och elektroner.

Den moderna uppfattningen om atomen behåller de flesta av egenskaperna hos planetmodellen etablerad av Rutherford, men med viktiga modifieringar införda av Chadwick och dansk fysiker Neils Bohr.

Det var Bohr som införlivade begreppet diskreta banor till vilka elektroner var begränsade. Han baserade detta på kvantprinciper som var nya vid den tiden men som har blivit etablerade som vetenskapliga verkligheter. Enligt Bohr-modellen upptar elektroner diskreta banor, och när de rör sig till en annan bana avger eller absorberar de inte i kontinuerliga mängder utan i energibuntar, kallade kvantor.

Innehåller arbetet från Bohr och Chadwick, den moderna bilden av atomen ser ut så här: Det mesta av atomen är tomt utrymme. Negativt laddade elektroner kretsar kring en liten men tung kärna som består av protoner och neutroner. Eftersom kvantteori, som bygger på osäkerhetsprincipen, betraktar elektroner som både vågor och partiklar, kan de inte lokaliseras definitivt. Du kan bara prata om sannolikheten för att en elektron befinner sig i en viss position, så elektronerna bildar ett sannolikhetsmoln runt kärnan.

Antalet neutroner i kärnan är vanligtvis detsamma som antalet protoner, men det kan vara annorlunda. Atomer i ett element som har ett annat antal neutroner kallas isotoper för det elementet. De flesta element har en eller flera isotoper, och vissa har flera. Tenn, till exempel, har 10 stabila isotoper och minst dubbelt så många instabila, vilket ger den en genomsnittlig atommassa som är signifikant annorlunda än två gånger sitt atomnummer. Om James Chadwicks upptäckt av neutronen aldrig hade inträffat skulle det vara omöjligt att förklara förekomsten av isotoper.

Chadwicks upptäckt av neutronen ledde direkt till utvecklingen av atombomben. Eftersom neutroner inte har någon laddning kan de tränga djupare in i kärnorna hos målatomer än protoner. Neutronbombardemang av atomkärnor blev en viktig metod för att få information om kärnornas egenskaper.

Det tog inte lång tid för forskare att upptäcka att bombning av supertungt Uran-235 med neutroner var ett sätt att bryta kärnorna från varandra och släppa en enorm mängd energi. Klyvning av uran producerar mer högenergineutroner som bryter sönder andra uranatomer, och resultatet är en okontrollerbar kedjereaktion. När detta väl var känt handlade det bara om att utveckla ett sätt att initiera klyvningsreaktionen på begäran i ett leveransbart hölje. Fat Man och Little Boy, bomberna som förstörde Hiroshima och Nagasaki, var resultatet av den hemliga krigsansträngningen känd som Manhattan-projektet som genomfördes för att göra just det.

Chadwick Atomic Theory gör det också möjligt att förstå radioaktivitet. Vissa naturligt förekommande mineraler - liksom konstgjorda - avger strålning spontant, och anledningen har att göra med det relativa antalet protoner och neutroner i kärnan. En kärna är mest stabil när den har lika antal, och den blir instabil när den har mer än en annan. I ett försök att återfå stabilitet kastar en instabil kärna energi i form av alfa-, beta- eller gammastrålning. Alpha-strålning består av tunga partiklar, var och en består av två protoner och två neutroner. Betastrålning består av elektroner och gammastrålning av fotoner.

Som en del av studien av kärnor och radioaktivitet har forskare ytterligare dissekerat protoner och neutroner för att finna att de själva är sammansatta av mindre partiklar som kallas kvarker. Kraften som håller protoner och neutroner tillsammans i kärnan kallas den starka kraften, och den som håller kvarkar tillsammans kallas färgkraften. Den starka kraften är en biprodukt av färgkraften, som i sig är beroende av utbytet av gluoner, som är ännu en typ av elementär partikel.

Förståelsen som möjliggjordes av atommodellen James Chadwick har fört världen in i kärnåldern, men dörren till en mycket mer mystisk och invecklad värld är vidöppen. Till exempel kan forskare en dag bevisa att hela universum, inklusive atomkärnor och kvarkerna från vilka de är gjorda, består av oändliga strängar av vibrerande energi. Oavsett vad de upptäcker kommer de att göra det stående på axlarna av pionjärer som Chadwick.