Innhold
- Hvordan oppdaget Chadwick nøytronen?
- Viktigheten av Chadwick Atomic Theory
- James Chadwicks bidrag til atombomben
- Nøytroner, radioaktivitet og utover
Forskere ser i dag atomer som sammensatt av bittesmå, tunge, positivt ladede kjerner omgitt av skyer av ekstremt lette, negativt ladede elektroner. Denne modellen stammer fra 1920-tallet, men har sin opprinnelse i det gamle Hellas. Filosofen Democritus foreslo at det eksisterte atomer rundt 400 f.Kr. Ingen tok virkelig opp ideen med noen inderlighet før den engelske fysikeren John Dalton introduserte sin atomteori på begynnelsen av 1800-tallet. Daltons modell var ufullstendig, men den vedvarte i utgangspunktet uendret gjennom det meste av 1800-tallet.
En mengde undersøkelser om atommodellen skjedde på slutten av det 19. og langt inn på 1900-tallet, og kulminerte med Schrodinger-modellen til atomen, som er kjent som skymodellen. Rett etter at fysikeren Erwin Schrodinger introduserte det i 1926, la James Chadwick - en annen engelsk fysiker - et viktig stykke til bildet. Chadwick er ansvarlig for å oppdage eksistensen av nøytronet, den nøytrale partikkelen som deler kjernen med det positivt ladede protonet.
Chadwicks oppdagelse tvang en revisjon av skymodellen, og forskere omtaler noen ganger den reviderte versjonen som atommodellen James Chadwick. Oppdagelsen tjente Chadwick Nobelprisen i fysikk fra 1935, og det muliggjorde utviklingen av atombomben. Chadwick deltok i det superhemmelige Manhattan-prosjektet, som kulminerte med utplasseringen av atombomber på Hiroshima og Nagasaki. Bomben bidro til overgivelsen av Japan (mange historikere mener Japan ville ha overgitt seg uansett) og slutten av andre verdenskrig. Chadwick døde i 1974.
Hvordan oppdaget Chadwick nøytronen?
J.J. Thompson oppdaget elektronet ved hjelp av katodestrålerør på 1890-tallet, og den britiske fysikeren Ernest Rutherford, den såkalte faren til kjernefysikk, oppdaget protonet i 1919. Rutherford spekulerte i at elektroner og protoner kunne kombineres for å produsere en nøytral partikkel med omtrent det samme masse som proton, og forskere mente at en slik partikkel eksisterte av flere grunner. For eksempel ble det kjent at heliumkjernen har et atomnummer på 2, men et massetall på 4, noe som betydde at den inneholdt en slags nøytral mysteriemasse. Ingen hadde noen gang observert et nøytron eller bevist at det eksisterte.
Chadwick var spesielt interessert i et eksperiment utført av Frédéric og Irène Joliot-Curie, som hadde bombardert en prøve av beryllium med alfastråling. De bemerket at bombardementet ga en ukjent stråling, og da de tillot det å slå en prøve parafinvoks, observerte de protoner med høy energi som ble kastet fra materialet.
Ikke tilfreds med forklaringen om at strålingen var laget av høyenergi-fotoner, dupliserte Chadwick eksperimentet og konkluderte med at strålingen måtte være sammensatt av tunge partikler uten ladning. Ved å bombardere andre materialer, inkludert helium, nitrogen og litium, var Chadwick i stand til å bestemme at massen til hver partikkel var litt mer enn protonens.
Chadwick publiserte sin artikkel "The Existence of a Neutron" i mai 1932. I 1934 hadde andre forskere bestemt at nøytronet faktisk var en elementær partikkel og ikke en kombinasjon av protoner og elektron.
Viktigheten av Chadwick Atomic Theory
Den moderne forestillingen om atomet beholder de fleste av egenskapene til planetmodellen etablert av Rutherford, men med viktige modifikasjoner introdusert av Chadwick og den danske fysikeren Neils Bohr.
Det var Bohr som innlemmet begrepet diskrete baner som elektronene var begrenset til. Han baserte dette på kvanteprinsipper som var nye den gangen, men som har blitt etablert som vitenskapelige realiteter. I følge Bohr-modellen opptar elektronene separate baner, og når de beveger seg til en annen bane, avgir eller absorberer de ikke i kontinuerlige mengder, men i bunter med energi, kalt quanta.
Innlemme arbeidet til Bohr og Chadwick, ser det moderne bildet av atomet ut slik: Det meste av atomet er tomt. Negativt ladede elektroner går i bane rundt en liten, men tung kjerne som består av protoner og nøytroner. Fordi kvante teori, som er basert på usikkerhetsprinsippet, ser på elektroner som både bølger og partikler, kan de ikke være definitivt lokalisert. Du kan bare snakke om sannsynligheten for at et elektron er i en bestemt posisjon, så elektronene danner en sannsynlighetssky rundt kjernen.
Antall nøytroner i kjernen er vanligvis det samme som antall protoner, men det kan være forskjellig. Atomer i et element som har et annet antall nøytroner kalles isotoper av dette elementet. De fleste elementer har en eller flere isotop, og noen har flere. Tinn, for eksempel, har 10 stabile isotoper og minst dobbelt så mange ustabile, noe som gir den en gjennomsnittlig atommasse som er betydelig forskjellig enn det dobbelte av atomnummeret. Hvis James Chadwicks oppdagelse av nøytronet aldri hadde skjedd, ville det være umulig å forklare eksistensen av isotoper.
James Chadwicks bidrag til atombomben
Chadwicks oppdagelse av nøytronet førte direkte til utviklingen av atombomben. Fordi nøytroner ikke har noen ladning, kan de trenge dypere inn i kjernen i målatomer enn protoner. Neutronbombardement av atomkjerner ble en viktig metode for å få informasjon om kjernenes egenskaper.
Det tok ikke forskere lang tid å oppdage at bombardering av supertung Uran-235 med nøytroner var en måte å bryte kjernene fra hverandre og frigjøre en enorm mengde energi. Klyvingen av uran produserer flere høyenergi-nøytroner som bryter fra hverandre andre uranatomer, og resultatet er en ukontrollerbar kjedereaksjon. Når dette var kjent, var det bare et spørsmål om å utvikle en måte å sette i gang fisjonreaksjonen på etterspørsel i et leverbart foringsrør. Fat Man and Little Boy, bombene som ødela Hiroshima og Nagasaki, var resultatet av den hemmelige krigsinnsatsen kjent som Manhattan Project som ble utført for å gjøre nettopp det.
Nøytroner, radioaktivitet og utover
Chadwick Atomic Theory gjør det også mulig å forstå radioaktivitet. Noen naturlig forekommende mineraler - så vel som menneskeskapte - avgir spontant stråling, og årsaken har å gjøre med det relative antallet protoner og nøytroner i kjernen. En kjerne er mest stabil når den har et like stort antall, og den blir ustabil når den har mer av en enn en annen. I et forsøk på å gjenvinne stabilitet, kaster en ustabil kjerne av energi i form av alfa-, beta- eller gammastråling. Alfastråling er sammensatt av tunge partikler, som hver består av to protoner og to nøytroner. Betastråling består av elektroner og gammastråling av fotoner.
Som en del av studien av kjerner og radioaktivitet har forskere dissekert protoner og nøytroner ytterligere for å finne at de selv er sammensatt av mindre partikler kalt kvarker. Kraften som holder protoner og nøytroner sammen i kjernen kalles den sterke kraften, og den som holder kvarker sammen er kjent som fargekraften. Den sterke kraften er et biprodukt av fargekraften, som selv avhenger av utvekslingen av gluoner, som er enda en type elementær partikkel.
Forståelsen som er gjort mulig av atommodellen James Chadwick har brakt verden inn i kjernealderen, men døren til en langt mer mystisk og intrikat verden er vidåpen. For eksempel kan forskere en dag bevise at hele universet, inkludert atomkjerner og kvarkene som de er laget av, er sammensatt av uendelig mange strenger av vibrerende energi. Uansett hva de oppdager, så gjør de det når du står på skuldrene til pionerer som Chadwick.