Vsebina
- Kako je Chadwick odkril nevtrona?
- Pomen atomske teorije Chadwick
- James Chadwicks Prispevek k atomski bombi
- Nevtroni, radioaktivnost in naprej
Znanstveniki danes mislijo, da so atomi sestavljeni iz drobnih, težkih, pozitivno nabitih jeder, obdanih z oblaki izredno lahkih, negativno nabitih elektronov. Ta model izvira iz dvajsetih let 20. stoletja, svoj izvor pa ima že v stari Grčiji. Filozof Demokrit je predlagal obstoj atomov okoli 400 pred našim štetjem. Nihče se v resnici ni lotil ideje, dokler angleški fizik John Dalton v začetku 1800-ih ni predstavil svoje atomske teorije. Daltonov model je bil nepopoln, vendar je v večini 19. stoletja vztrajal nespremenjeno.
Konec 19. in dobro v 20. stoletje je prišel do neresnice raziskovanja atomskega modela, ki je kulminiral v Schrodingerjevem modelu atoma, ki je znan kot model oblaka. Kmalu po tem, ko ga je leta 1926 predstavil fizik Erwin Schrodinger, je James Chadwick - še en angleški fizik - k sliki dodal ključni del. Chadwick je odgovoren za odkrivanje obstoja nevtrona, nevtralnega delca, ki deli jedro s pozitivno nabitim protonom.
Chadwicksovo odkritje je prisililo revizijo modela oblaka in znanstveniki revidirano različico včasih imenujejo kot atomski model Jamesa Chadwicka. Odkritje je Chadwicku prineslo Nobelovo nagrado za fiziko leta 1935 in omogočilo razvoj atomske bombe. Chadwick je sodeloval pri nadkrivnem projektu na Manhattnu, katerega vrhunec je bil postavitev jedrskih bomb na Hirošimo in Nagasaki. Bomba je prispevala k predaji Japonske (mnogi zgodovinarji verjamejo, da bi se Japonska tako ali tako predala) in koncu druge svetovne vojne. Chadwick je umrl leta 1974.
Kako je Chadwick odkril nevtrona?
J.J. Thompson je odkril elektrone s pomočjo katodnih cevi v 1890-ih, britanski fizik Ernest Rutherford, tako imenovani oče jedrske fizike, pa je odkril proton leta 1919. Rutherford je razmišljal, da bi se elektroni in protoni lahko združili, da bi ustvarili nevtralni delček s približno enakimi mase kot protona in znanstveniki so verjeli, da takšen delec obstaja iz več razlogov. Na primer, znano je bilo, da ima jedro helija atomsko število 2, vendar masno število 4, kar pomeni, da vsebuje nekakšno nevtralno skrivnostno maso. Nihče še ni opazil nevtra ali dokazal, da obstaja.
Chadwicka je še posebej zanimala eksperiment, ki sta ga izvedla Frédéric in Irène Joliot-Curie, ki sta bombardirala vzorec berilija z alfa sevanjem. Zapisali so, da je obstreljevanje povzročilo neznano sevanje, in ko so dovolili, da zadene vzorec parafinskega voska, so opazili, da iz materiala odtekajo visokoenergijski protoni.
Nezadovoljen z razlago, da je sevanje narejeno iz visokoenergijskih fotonov, je Chadwick poskus podvojil in ugotovil, da mora biti sevanje sestavljeno iz težkih delcev brez naboja. Z bombardiranjem drugih materialov, vključno s helijem, dušikom in litijem, je Chadwick lahko ugotovil, da je masa vsakega delca nekaj večja od mase protona.
Chadwick je maja 1932 objavil svoj prispevek "Obstoj nevtrona". Do leta 1934 so drugi raziskovalci ugotovili, da je nevtron v resnici osnovni delček in ne kombinacija protonov in elektronov.
Pomen atomske teorije Chadwick
Sodobna koncepcija atoma ohranja večino značilnosti planetarnega modela, ki ga je vzpostavil Rutherford, vendar s pomembnimi spremembami, ki sta jih uvedla Chadwick in danski fizik Neils Bohr.
Bohr je vključil koncept diskretne orbite, na katero so omejeni elektroni. To je utemeljil na kvantnih načelih, ki so bila takrat nova, vendar so se uveljavila kot znanstvena realnost. Po Bohrovem modelu elektroni zasedajo diskretno orbito, in ko se premaknejo na drugo orbito, oddajajo ali absorbirajo ne v nenehnih količinah, temveč v svežnjah energije, imenovanih kvant.
Sodobna slika atoma, ki vključuje delo Bohra in Chadwicka, izgleda tako: Večina atoma je praznega prostora. Negativno nabiti elektroni obkrožajo majhno, a težko jedro, sestavljeno iz protonov in nevtronov. Ker kvantna teorija, ki temelji na načelu negotovosti, šteje, da so elektroni valovi in delci, jih ni mogoče dokončno postaviti. Govorite lahko le o verjetnosti, da bo elektron v določenem položaju, zato elektroni okoli jedra tvorijo verjetnostni oblak.
Število nevtronov v jedru je običajno enako številu protonov, lahko pa je tudi drugače. Atomi elementa, ki imajo različno število nevtronov, se imenujejo izotopi tega elementa. Večina elementov ima en ali več izotopov, nekateri pa več. Na primer, kositer ima 10 stabilnih izotopov in vsaj dvakrat več nestabilnih, kar mu daje povprečno atomsko maso, ki je bistveno drugačna od dvakratne njegove atomske številke. Če James Chadwicksov odkritja nevtrona ne bi nikoli prišlo, bi bilo nemogoče razložiti obstoj izotopov.
James Chadwicks Prispevek k atomski bombi
Chadwicksovo odkritje nevtrona je vodilo 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 znanstvenikom ni bilo treba dolgo odkriti, da je bilo bombardiranje super težkega urana-235 z nevtroni način, da razbije jedra in sprosti ogromno energije. Pri cepljenju urana nastaja več visokoenergijskih nevtronov, ki ločujejo druge atome urana, posledica tega pa je nenadzorovana verižna reakcija. Ko je bilo to znano, je šlo le za razvoj načina, kako sprožiti reakcijo cepitve na zahtevo v dobavljivem ohišju. Debeli mož in deček, bombe, ki so uničile Hirošimo in Nagasaki, so bile rezultat tajnih vojnih naporov, znanih kot Manhattan Project, ki so bili izvedeni za to.
Nevtroni, radioaktivnost in naprej
Chadwickova atomska teorija omogoča tudi razumevanje radioaktivnosti. Nekateri naravni minerali - pa tudi človeško - spontano oddajajo sevanje, razlog pa je povezan z relativno številom protonov in nevtronov v jedru. Jedro je najbolj stabilno, če ima enako število, in nestabilno postane, ko ima več enega kot drugega. V želji, da bi si povrnili stabilnost, nestabilno jedro odvrže energijo v obliki alfa, beta ali gama sevanja. Alfa sevanje je sestavljeno iz težkih delcev, vsak je sestavljen 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. Moč, ki v jedru drži protone in nevtrone, se imenuje močna sila, tista, ki drži kvarke skupaj, pa je znana kot barvna sila. Močna sila je stranski produkt barvne sile, ki je odvisna od izmenjave gluonov, ki so še ena vrsta elementarnih delcev.
Razumevanje, ki ga je omogočil atomski model Jamesa Chadwicka, je svet pripeljalo v jedrsko dobo, a vrata v veliko bolj skrivnostni in zapleteni svet so na široko odprta. Na primer, lahko znanstveniki nekega dne dokažejo, da je celotno vesolje, vključno z atomskimi jedri in kvarki, iz katerih so izdelani, sestavljeno iz neskončno majhnih nizov vibrirajoče energije. Karkoli bodo odkrili, to bodo storili na ramenih pionirjev, kot je Chadwick.