ทฤษฎีอะตอมของเจมส์ แชดวิก

นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันนึกภาพอะตอมว่าประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกขนาดเล็ก หนัก และมีประจุบวกรายล้อมไปด้วยเมฆอิเล็กตรอนที่มีประจุลบที่มีน้ำหนักเบามาก โมเดลนี้มีขึ้นในปี ค.ศ. 1920 แต่มีต้นกำเนิดในสมัยกรีกโบราณ นักปรัชญาเดโมคริตุสเสนอการมีอยู่ของอะตอมประมาณ 400 ปีก่อนคริสตกาล ไม่มีใครเอาจริงๆ ด้วยความเร่าร้อนใดๆ จนกระทั่งนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น ดาลตัน ได้แนะนำทฤษฎีอะตอมของเขาในช่วงต้น ค.ศ. 1800 แบบจำลองของดัลตันยังไม่สมบูรณ์ แต่โดยทั่วไปแล้วยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเกือบศตวรรษที่ 19

การค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมอย่างยุ่งเหยิงเกิดขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 และจนถึงศตวรรษที่ 20 ทำให้เกิดเป็นแบบจำลองอะตอมของชโรดิงเงอร์ซึ่งเรียกว่าแบบจำลองเมฆ ไม่นานหลังจากที่นักฟิสิกส์ Erwin Schrodinger แนะนำมันในปี 1926 James Chadwick นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษอีกคนหนึ่งได้เพิ่มส่วนสำคัญให้กับภาพ แชดวิกมีหน้าที่ค้นพบการมีอยู่ของนิวตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นกลางซึ่งแบ่งนิวเคลียสร่วมกับโปรตอนที่มีประจุบวก

การค้นพบของแชดวิกบังคับให้มีการแก้ไขแบบจำลองคลาวด์ และบางครั้งนักวิทยาศาสตร์ก็อ้างถึงรุ่นที่แก้ไขแล้วว่าเป็นแบบจำลองอะตอมของเจมส์ แชดวิก การค้นพบนี้ทำให้แชดวิกได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1935 และทำให้การพัฒนาระเบิดปรมาณูเป็นไปได้ แชดวิกเข้าร่วมในโครงการแมนฮัตตันที่เป็นความลับสุดยอด ซึ่งนำไปสู่การวางระเบิดนิวเคลียร์ในฮิโรชิมาและนางาซากิ ระเบิดดังกล่าวมีส่วนทำให้ญี่ปุ่นยอมแพ้ (นักประวัติศาสตร์หลายคนเชื่อว่าญี่ปุ่นจะยอมจำนนต่อไป) และการสิ้นสุดของสงครามโลกครั้งที่สอง แชดวิกเสียชีวิตในปี 2517

เจ.เจ. ทอมป์สันค้นพบอิเล็กตรอนโดยใช้หลอดรังสีแคโทดในทศวรรษที่ 1890 และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด บิดาแห่งฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่เรียกว่า ค้นพบโปรตอนในปี 2462 รัทเทอร์ฟอร์ดคาดการณ์ว่าอิเล็กตรอนและโปรตอนสามารถรวมกันเพื่อสร้างอนุภาคที่เป็นกลางด้วย มวลประมาณเท่าโปรตอน และนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีอนุภาคดังกล่าวอยู่หลายตัว เหตุผล. ตัวอย่างเช่น เป็นที่ทราบกันว่านิวเคลียสของฮีเลียมมีเลขอะตอมเป็น 2 แต่มีเลขมวล 4 ซึ่งหมายความว่ามีมวลลึกลับที่เป็นกลางบางชนิด ไม่มีใครเคยสังเกตนิวตรอนหรือพิสูจน์ว่ามันมีอยู่จริง

Chadwick มีความสนใจเป็นพิเศษในการทดลองที่ดำเนินการโดย Frédéric และ Irène Joliot-Curie ซึ่งได้ทิ้งระเบิดตัวอย่างเบริลเลียมด้วยรังสีอัลฟา พวกเขาสังเกตเห็นว่าการทิ้งระเบิดทำให้เกิดรังสีที่ไม่รู้จัก และเมื่อพวกเขาปล่อยให้มันชนตัวอย่างขี้ผึ้งพาราฟิน พวกเขาสังเกตเห็นโปรตอนพลังงานสูงถูกเหวี่ยงออกจากวัสดุ

ไม่พอใจกับคำอธิบายว่าการแผ่รังสีเกิดจากโฟตอนพลังงานสูง Chadwick ทำซ้ำการทดลองและสรุปได้ว่ารังสีจะต้องประกอบด้วยอนุภาคหนักด้วย ไม่มีค่าใช้จ่าย. ด้วยการทิ้งระเบิดวัสดุอื่นๆ รวมทั้งฮีเลียม ไนโตรเจน และลิเธียม แชดวิกสามารถระบุได้ว่ามวลของแต่ละอนุภาคมากกว่าโปรตอนเล็กน้อย

Chadwick ตีพิมพ์บทความของเขาเรื่อง “The Existence of a Neutron” ในเดือนพฤษภาคม 1932 ภายในปี 1934 นักวิจัยคนอื่นๆ ได้พิจารณาแล้วว่าความจริงแล้วนิวตรอนเป็นอนุภาคมูลฐาน ไม่ใช่การรวมกันของโปรตอนและอิเล็กตรอน

แนวคิดสมัยใหม่ของอะตอมยังคงรักษาลักษณะส่วนใหญ่ของแบบจำลองดาวเคราะห์ไว้ ก่อตั้งโดยรัทเทอร์ฟอร์ด แต่มีการดัดแปลงที่สำคัญซึ่งแนะนำโดยนักฟิสิกส์แชดวิกและเดนมาร์ก นีลส์ บอร์.

บอร์เป็นผู้รวมแนวคิดเรื่องวงโคจรที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งอิเล็กตรอนถูกกักขังไว้ เขาใช้หลักการควอนตัมที่ใหม่ในขณะนั้น แต่ได้กลายเป็นความจริงทางวิทยาศาสตร์ ตามแบบจำลองของ Bohr อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรที่ไม่ต่อเนื่อง และเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรอื่น พวกมันจะปล่อยหรือดูดซับไม่ในปริมาณที่ต่อเนื่องกัน แต่อยู่ในกลุ่มของพลังงานที่เรียกว่าควอนตา

การรวมผลงานของบอร์และแชดวิกเข้าด้วยกัน รูปภาพสมัยใหม่ของอะตอมมีลักษณะดังนี้: อะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะโคจรรอบนิวเคลียสขนาดเล็กแต่หนักซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน เนื่องจากทฤษฎีควอนตัมซึ่งมีพื้นฐานอยู่บนหลักการความไม่แน่นอน ถือว่าอิเล็กตรอนเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค พวกมันไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนได้ คุณสามารถพูดถึงความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะอยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงสร้างกลุ่มเมฆของความน่าจะเป็นรอบนิวเคลียส

จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสมักจะเท่ากับจำนวนโปรตอน แต่อาจแตกต่างกันได้ อะตอมของธาตุที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันเรียกว่าไอโซโทปของธาตุนั้น ธาตุส่วนใหญ่มีไอโซโทปหนึ่งตัวหรือมากกว่า และบางส่วนก็มีไอโซโทปหลายตัว ตัวอย่างเช่น ดีบุกมีไอโซโทปที่เสถียร 10 ไอโซโทปและไอโซโทปที่ไม่เสถียรอย่างน้อยสองเท่า ทำให้มวลอะตอมเฉลี่ยแตกต่างจากเลขอะตอมสองเท่า ถ้าการค้นพบนิวตรอนของเจมส์ แชดวิกไม่เคยเกิดขึ้น ก็คงเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายการมีอยู่ของไอโซโทป

การค้นพบนิวตรอนของแชดวิกนำไปสู่การพัฒนาระเบิดปรมาณูโดยตรง เนื่องจากนิวตรอนไม่มีประจุ จึงสามารถเจาะเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมเป้าหมายได้ลึกกว่าโปรตอน การทิ้งระเบิดนิวเคลียสของนิวเคลียสของอะตอมกลายเป็นวิธีการสำคัญในการรับข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะของนิวเคลียส

นักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาไม่นานในการค้นพบว่าการทิ้งระเบิดยูเรเนียม-235 ที่มีน้ำหนักมากเป็นพิเศษด้วยนิวตรอนเป็นวิธีทำลายนิวเคลียสและปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล การแยกตัวของยูเรเนียมทำให้เกิดนิวตรอนที่มีพลังงานสูงมากขึ้นซึ่งจะแยกอะตอมของยูเรเนียมอื่นๆ ออกจากกัน และผลที่ได้คือปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ควบคุมไม่ได้ เมื่อทราบสิ่งนี้แล้ว เป็นเพียงเรื่องของการพัฒนาวิธีการเริ่มต้นปฏิกิริยาฟิชชันตามความต้องการในเคสที่ส่งมอบได้ Fat Man และ Little Boy ระเบิดที่ทำลายฮิโรชิมาและนางาซากิเป็นผลมาจากความพยายามในสงครามลับที่เรียกว่าโครงการแมนฮัตตันซึ่งดำเนินการเพื่อทำเช่นนั้น

ทฤษฎีอะตอมของแชดวิกยังทำให้เข้าใจกัมมันตภาพรังสีได้อีกด้วย แร่ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบางชนิด - เช่นเดียวกับแร่ที่มนุษย์สร้างขึ้น - ปล่อยรังสีตามธรรมชาติ และเหตุผลเกี่ยวข้องกับจำนวนโปรตอนและนิวตรอนสัมพัทธ์ในนิวเคลียส นิวเคลียสจะเสถียรที่สุดเมื่อมีจำนวนเท่ากัน และจะไม่เสถียรเมื่อมีมากกว่าหนึ่งมากกว่านิวเคลียส ในความพยายามที่จะฟื้นเสถียรภาพ นิวเคลียสที่ไม่เสถียรจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีอัลฟา เบต้า หรือแกมมา รังสีอัลฟาประกอบด้วยอนุภาคหนัก แต่ละตัวประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว รังสีบีตาประกอบด้วยอิเล็กตรอนและรังสีแกมมาของโฟตอน

ในการศึกษานิวเคลียสและกัมมันตภาพรังสี นักวิทยาศาสตร์ได้ผ่าโปรตอนและนิวตรอนเพิ่มเติมเพื่อค้นหาว่าพวกมันประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่าที่เรียกว่าควาร์ก แรงที่ยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสเรียกว่าแรงแรง และแรงที่ยึดควาร์กไว้ด้วยกันเรียกว่าแรงสี แรงแรงเป็นผลพลอยได้ของแรงสี ซึ่งขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนกลูออน ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานอีกประเภทหนึ่ง

ความเข้าใจที่เกิดขึ้นจากแบบจำลองอะตอมของเจมส์ แชดวิกได้นำโลกเข้าสู่ยุคนิวเคลียร์แล้ว แต่ประตูสู่โลกที่ลึกลับและซับซ้อนกว่านั้นเปิดกว้างอยู่ ตัวอย่างเช่น วันหนึ่งนักวิทยาศาสตร์อาจพิสูจน์ว่าจักรวาลทั้งมวล รวมทั้งนิวเคลียสของอะตอมและควาร์กที่พวกมันสร้างขึ้นนั้น ประกอบด้วยสายพลังงานสั่นสะเทือนจำนวนน้อยนิด สิ่งที่พวกเขาค้นพบ พวกเขาจะทำมันโดยยืนอยู่บนไหล่ของผู้บุกเบิกอย่างแชดวิก