Сьогодні вчені уявляють, що атоми складаються з крихітних, важких, позитивно заряджених ядер, оточених хмарами надзвичайно легких, негативно заряджених електронів. Ця модель бере свій початок з 20-х років минулого століття, але вона бере свій початок ще в Давній Греції. Філософ Демокріт припустив існування атомів близько 400 р. До н. Е. Ніхто насправді не взявся за ідея з будь-яким запалом, поки англійський фізик Джон Далтон не представив свою атомну теорію на початку 1800-ті. Модель Далтона була неповною, але вона зберігалася в основному незмінною протягом більшої частини 19 століття.
Шквал досліджень атомної моделі відбувся в кінці 19-го і далеко в 20-му столітті, завершившись моделлю атома Шредінгера, яка відома як хмарна модель. Незабаром після того, як фізик Ервін Шредінгер представив його в 1926 році, Джеймс Чадвік - інший англійський фізик - додав вирішальну частину до картини. Чадвік відповідає за відкриття існування нейтрона, нейтральної частинки, яка розділяє ядро з позитивно зарядженим протоном.
Відкриття Чедвіка призвело до перегляду хмарної моделі, і вчені іноді називають переглянуту версію атомною моделлю Джеймса Чадвіка. Це відкриття принесло Чадвіку Нобелівську премію з фізики 1935 року, і це зробило можливим розробку атомної бомби. Чадвік брав участь у надсекретному проекті в Манхеттені, який завершився розміщенням ядерних бомб на Хіросімі та Нагасакі. Бомба сприяла капітуляції Японії (багато істориків вважають, що Японія все одно здалася б) і закінченню Другої світової війни. Чедвік помер у 1974 році.
Як Чадвік відкрив нейтрон?
Дж. Дж. Томпсон відкрив електрон за допомогою електронно-променевих трубок у 1890-х роках, а британський фізик Ернест Резерфорд, так званий батько ядерної фізики, відкрив протон в 1919 році. Резерфорд припустив, що електрони і протони можуть поєднуватися, утворюючи нейтральну частинку приблизно така ж маса, як і протон, і вчені вважали, що така частинка існувала кілька причини. Наприклад, було відомо, що ядро гелію має атомний номер 2, але масове число 4, що означало, що воно містило якусь нейтральну таємничу масу. Однак ніхто ніколи не спостерігав нейтрон і не довів, що він існує.
Чадвіка особливо зацікавив експеримент, проведений Фредеріком та Ірен Жоліо-Кюрі, які бомбардували зразок берилію альфа-випромінюванням. Вони відзначили, що бомбардування виробляло невідоме випромінювання, і коли вони дозволили йому вразити зразок парафіну, вони спостерігали, як високоенергетичні протони скидалися з матеріалу.
Незадоволений поясненням, що випромінювання було зроблено фотонами високої енергії, Чадвік повторив експеримент і дійшов висновку, що випромінювання повинно складатися з важких частинок з немає заряду. Бомбардуючи інші матеріали, включаючи гелій, азот та літій, Чадвіку вдалося визначити, що маса кожної частинки була трохи більшою, ніж маса протона.
Чадвік опублікував свою статтю «Існування нейтрона» у травні 1932 року. До 1934 року інші дослідники встановили, що нейтрон насправді був елементарною частинкою, а не поєднанням протонів та електронів.
Важливість атомної теорії Чадвіка
Сучасна концепція атома зберігає більшість характеристик планетарної моделі заснований Резерфордом, але з важливими змінами, введеними Чадвіком та датським фізиком Нілс Бор.
Саме Бор включив поняття дискретних орбіт, до яких були приурочені електрони. Він базував це на квантових принципах, які на той час були новими, але які утвердились як наукові реалії. Згідно з моделлю Бора, електрони займають дискретні орбіти, і коли вони переходять на іншу орбіту, вони випромінюють або поглинають не в безперервних кількостях, а в пучках енергії, званих квантами.
Включаючи роботу Бора і Чедвіка, сучасна картина атома виглядає так: більша частина атома - це порожній простір. Негативно заряджені електрони обертаються навколо невеликого, але важкого ядра, що складається з протонів і нейтронів. Оскільки квантова теорія, яка базується на принципі невизначеності, розглядає електрони як хвилі, так і частинки, вони не можуть бути остаточно визначені. Можна говорити лише про ймовірність перебування електрона в певному положенні, тому електрони утворюють хмару ймовірностей навколо ядра.
Кількість нейтронів в ядрі зазвичай збігається з кількістю протонів, але воно може бути різним. Атоми елемента, що мають різну кількість нейтронів, називаються ізотопами цього елемента. Більшість елементів мають один або кілька ізотопів, а деякі - кілька. Наприклад, олово має 10 стабільних ізотопів і принаймні вдвічі більше нестабільних, що дає йому середню атомну масу, що значно відрізняється від подвійного атомного номера. Якби відкриття нейтрона Джеймсом Чадвіком ніколи не відбулося, було б неможливо пояснити існування ізотопів.
Внесок Джеймса Чедвіка в атомну бомбу
Відкриття нейтрона Чадвіком призвело безпосередньо до розробки атомної бомби. Оскільки нейтрони не мають заряду, вони можуть глибше проникати в ядра атомів-мішеней, ніж протони. Нейтронне бомбардування атомних ядер стало важливим методом отримання інформації про характеристики ядер.
Однак недовго вчені виявили, що бомбардування надважкого Урану-235 нейтронами - це спосіб розбити ядра і випустити величезну кількість енергії. Поділ урану виробляє більше нейтронів високої енергії, які розбивають інші атоми урану, і в результаті виникає неконтрольована ланцюгова реакція. Після того, як це стало відомо, мова йшла лише про розробку способу ініціювати реакцію ділення на вимогу в корпусі, що поставляється. Товстун та Маленький Хлопчик, бомби, які знищили Хіросіму та Нагасакі, були результатом таємних військових дій, відомих як "Манхеттенський проект", які проводились саме для цього.
Нейтрони, радіоактивність і не тільки
Атомна теорія Чадвіка також дозволяє зрозуміти радіоактивність. Деякі мінерали, що трапляються в природі - а також штучні - спонтанно випромінюють випромінювання, і причина пов’язана з відносною кількістю протонів і нейтронів в ядрі. Ядро є найбільш стійким, коли має рівне число, і стає нестійким, коли його більше, ніж іншого. Прагнучи відновити стабільність, нестабільне ядро викидає енергію у вигляді альфа-, бета- або гамма-випромінювання. Альфа-випромінювання складається з важких частинок, кожна з яких складається з двох протонів і двох нейтронів. Бета-випромінювання складається з електронів і гамма-випромінювання фотонів.
В рамках дослідження ядер та радіоактивності вчені надалі розтинали протони та нейтрони, щоб виявити, що вони самі складаються з менших частинок, званих кварками. Сила, яка утримує в ядрі протони та нейтрони, називається сильною силою, а сила, яка утримує кварки, відома як сила кольору. Сильна сила є побічним продуктом колірної сили, яка сама залежить від обміну глюонами, які є ще одним типом елементарних частинок.
Розуміння, яке стало можливим завдяки атомній моделі Джеймса Чедвіка, перевело світ у ядерну епоху, але двері у набагато загадковіший та складніший світ широко відкриті. Наприклад, одного разу вчені можуть довести, що весь Всесвіт, включаючи атомні ядра та кварки, з яких вони створені, складається з нескінченно малих струн вібруючої енергії. Що б вони не виявили, вони зроблять це, стоячи на плечах таких піонерів, як Чадвік.