Tartalom
- Hogyan fedezte fel Chadwick a neutronot?
- A Chadwicki atomelmélet fontossága
- James Chadwicks hozzájárulás az atombombahoz
- Neutronok, radioaktivitás és azon túl
A tudósok ma úgy gondolják, hogy az atomok apró, nehéz, pozitív töltésű atommagokból állnak, amelyeket rendkívül könnyű, negatív töltésű elektronok felhő vesz körül. Ez a modell az 1920-as évekre nyúlik vissza, ám az ókori Görögországból származik. A Democritus filozófus körülbelül 400 B.C körül javasolta az atomok létezését. Senki sem vette ezt az elgondolást bármiféle lelkesedésig, amíg az angol fizikus, John Dalton az 1800-as évek elején nem vezette be atomelméletét. A dalton-modell nem volt teljes, de alapvetően változatlan maradt a 19. század nagy részében.
Az atommodell kutatása a 19. század végén és jóval a 20. században történt, és az atom Schrodinger-modelljének csúcspontjába került, amelyet felhőmodellnek hívnak. Nem sokkal azután, hogy a fizikus, Erwin Schrodinger 1926-ban bemutatta, James Chadwick - egy másik angol fizikus - döntő darabot adott hozzá a képhez. Chadwick felel a neutron létezéséért, a semleges részecskéért, amely megosztja a magot a pozitív töltésű protonnal.
A Chadwicks felfedezése kényszerítette a felhő modell felülvizsgálatát, és a tudósok néha a felülvizsgált verziót James Chadwick atommodellnek nevezik. A felfedezés Chadwicknek az 1935-es fizikai Nobel-díjat nyerte el, és lehetővé tette az atombomba kifejlesztését. Chadwick részt vett a szuper titkos Manhattan-projektben, amely a nukleáris bombák Hirosimára és Nagasakira történő telepítésének csúcspontjává vált. A bomba hozzájárult Japán átadásához (sok történész úgy gondolja, hogy Japán egyébként is megadta volna magát) és a második világháború végének. Chadwick 1974-ben halt meg.
Hogyan fedezte fel Chadwick a neutronot?
J. J. Thompson az elektronokat katódsugárcsövek segítségével fedezte fel az 1890-es években, és Ernest Rutherford, az úgynevezett nukleáris fizika atyja, a brit fizikus 1919-ben fedezte fel a protont. Rutherford azt feltételezte, hogy az elektronok és a protonok összekapcsolhatók egy semleges részecske előállításához, amely nagyjából azonos. tömeg protonként, és a tudósok úgy gondolták, hogy egy ilyen részecske több okból is létezik. Például ismert volt, hogy a héliummag atomszámja 2, de tömegszáma 4, ami azt jelentette, hogy tartalmaz valamilyen semleges rejtélyt. Soha senki sem figyelt meg egy neutronot, vagy nem bizonyította, hogy létezik.
Chadwickot különösen érdekli egy olyan kísérlet, amelyet Frédéric és Irène Joliot-Curie végeztek, akik a berillium mintáját az alfa-sugárzással bombázták. Megjegyezték, hogy a bombázás ismeretlen sugárzást eredményezett, és amikor megengedték neki, hogy a paraffinviasz mintájára sztrájkoljanak, megfigyelték, hogy az anyagból nagy energiájú protonok hullnak le.
Nem elégedett azzal a magyarázattal, miszerint a sugárzás nagy energiájú fotonokból készül, Chadwick megismételte a kísérletet, és arra a következtetésre jutott, hogy a sugárzásnak nehéz részecskékből kell állnia, töltés nélkül. Más anyagok, köztük a hélium, nitrogén és lítium bombázásával Chadwick képes volt megállapítani, hogy az egyes részecskék tömege valamivel nagyobb, mint a protoné.
Chadwick 1932 májusában tette közzé „A neutron létezése” című tanulmányát. 1934-re más kutatók megállapították, hogy a neutron valójában egy elemi részecske, nem pedig a protonok és elektronok kombinációja.
A Chadwicki atomelmélet fontossága
Az atom modern koncepciója megőrzi a Rutherford által létrehozott bolygómodell jellemzőinek legtöbbjét, de Chadwick és Neils Bohr dán fizikus bevezetésével.
Bohr volt az a diszkrét pálya fogalma, amelybe az elektronok korlátozódtak. Ezt a kvantum alapelveken alapozta, amelyek akkoriban újak voltak, de amelyek tudományos realitássá váltak. A Bohr-modell szerint az elektronok diszkrét pályákat foglalnak el, és amikor egy másik pályára lépnek, nem folyamatos mennyiségben bocsátanak ki, hanem abszorbeálják az energiát, amelyet kvantának hívnak.
Bohr és Chadwick munkáját beépítve az atom modern képe így néz ki: Az atom nagy része üres hely. Negatív töltésű elektronok keringnek egy kicsi, de nehéz atommagból, amely protonokból és neutronokból áll. Mivel a kvantumelmélet, amely a bizonytalanság elvén nyugszik, az elektronokat mind hullámoknak, mind részecskéknek tekinti, ezért azok nem határozhatók meg határozottan. Csak arról beszélhetünk, hogy egy elektron egy adott helyzetben van-e, tehát az elektronok valószínűségi felhőt képeznek a mag körül.
A sejtmagban levő neutronok száma általában megegyezik a protonok számával, de eltérő is lehet. Egy elem olyan atomjait, amelyek eltérő számú neutronnal rendelkeznek, annak elemének izotópjainak nevezzük. A legtöbb elemnek van egy vagy több izotópja, és néhánynak több is. Például az ónnak 10 stabil izotópja van, és legalább kétszer annyi instabil izotópja, így az átlagos atomtömege jelentősen különbözik az atomszám kétszeresétől. Ha James Chadwicks a neutron felfedezését soha nem történt volna meg, lehetetlen magyarázni az izotópok létezését.
James Chadwicks hozzájárulás az atombombahoz
Chadwicks a neutron felfedezése közvetlenül az atombomba fejlődéséhez vezetett. Mivel a neutronoknak nincs töltése, mélyebben behatolhatnak a célatomok magjaiba, mint a protonok. Az atommagok neutronbombázása fontos módszerré vált a magok jellemzőire vonatkozó információk megszerzéséhez.
Nem kellett sokáig tartania a tudósok számára, hogy felfedezzék, hogy a szuper nehéz urán-235 neutronokkal történő bombázása volt a módszer a magok széttörésére és óriási mennyiségű energia felszabadítására. Az urán hasadásával több nagy energiájú neutron képződik, amelyek szétesik más urán atomokat, és ennek eredményeként ellenőrizetlen láncreakció alakul ki. Miután ezt tudták, csak az volt, hogy kidolgozzanak egy módszert arra, hogyan lehet a hasadási reakciót igény szerint kezdeményezni egy kézbesíthető burkolatban. A Kövér ember és a Kisfiú, a bombák, amelyek elpusztították Hirosimát és Nagasaki-t, a Manhattan Projekt néven ismert titkos háborús erőfeszítések eredményei.
Neutronok, radioaktivitás és azon túl
A Chadwicki atomelmélet lehetővé teszi a radioaktivitás megértését. Néhány természetesen előforduló ásvány - akárcsak az ember alkotta - spontán sugárzást bocsát ki, és ennek oka a magban levő protonok és neutronok relatív számával kapcsolatos. A mag legstabilabb akkor, ha azonos számú, és instabilvá válik, ha egynél több van, mint a másik. A stabilitás visszanyerése érdekében egy instabil sejtmag energiát bocsát ki alfa-, béta- vagy gamma-sugárzás formájában. Az alfa-sugárzás nehéz részecskékből áll, amelyek mindegyike két protonból és két neutronból áll. A béta-sugárzás elektronokból és fotonok gamma-sugárzásából áll.
A magok és a radioaktivitás vizsgálata részeként a tudósok további protonokat és neutronokat boncoltak fel, hogy kiderítsék, hogy maguk kisebb kvarcoknak nevezett részecskékből állnak. A protonokat és a neutronokat a magban tartó erőt erõs erõnek nevezzük, és azt, amelyik a kvarkokat együtt tartja, színerõnek nevezzük. Az erős erő a színerő mellékterméke, amely önmagában a gluonok cseréjétől függ, amelyek egy újabb típusú elemi részecskék.
A James Chadwick atommodell által lehetővé tett megértés a nukleáris korszakba hozta a világot, ám egy sokkal rejtélyesebb és bonyolultabb világ ajtaja nyitva van. Például, a tudósok egy napon bizonyíthatják, hogy az egész világegyetem, beleértve az atommagokat és a kvarkokat is, amelyekből készülnek, végtelen méretű vibrációs energiából áll. Bármit is fedeznek fel, az úttörők vállán állnak, mint Chadwick.