Sisältö
- Kuinka Chadwick löysi neutronin?
- Chadwick-atomiteorian merkitys
- James Chadwicks Osallistuminen atomipommiin
- Neutronit, radioaktiivisuus ja muut
Tutkijat näkevät tänään atomien koostuvan pienistä, raskaista, positiivisesti varautuneista ytimistä, joita ympäröivät erittäin kevyiden, negatiivisesti varautuneiden elektronien pilvet. Tämä malli juontaa juurensa 1920-luvulle, mutta se on peräisin muinaisesta Kreikasta. Filosofi Democritus ehdotti atomien olemassaoloa noin 400 B.C. Kukaan ei todellakaan ottanut ideaa vastaan millään kiihkeällä tavalla, kunnes englantilainen fyysikko John Dalton esitteli atomiteoriansa 1800-luvun alkupuolella. Daltons-malli oli epätäydellinen, mutta se pysyi pohjimmiltaan ennallaan suurimman osan 1800-luvulta.
Atomimallista tehtiin tutkimusta 19. vuosisadan lopulla ja hyvin 20. vuosisadalla, joka huipentui atomin Schrodinger-malliin, joka tunnetaan pilvimallina. Pian sen jälkeen, kun fyysikko Erwin Schrodinger esitteli sen vuonna 1926, James Chadwick - toinen englantilainen fyysikko - lisäsi kuvan tärkeän kappaleen. Chadwick on vastuussa neutronin, neutraalin hiukkasen, joka jakaa ytimen positiivisesti varautuneen protonin kanssa, olemassaolosta.
Chadwicksin löytö pakotti pilvimallin tarkistamisen, ja tutkijat viittaavat joskus tarkistettuun versioon James Chadwickin atomimalliin. Löytö ansaitsi Chadwickille vuoden 1935 fysiikan Nobel-palkinnon, ja se teki mahdolliseksi atomipommin kehittämisen. Chadwick osallistui supersalaisuuteen Manhattan-projektiin, jonka huipentui ydinpommien sijoittamiseen Hiroshimaan ja Nagasakiin. Pommi myötävaikutti Japanin antautumiseen (monet historioitsijat uskovat Japanin antautuneen joka tapauksessa) ja toisen maailmansodan loppumiseen. Chadwick kuoli vuonna 1974.
Kuinka Chadwick löysi neutronin?
J. J. Thompson löysi elektronin katodisäteputkien avulla 1890-luvulla, ja brittiläinen fyysikko Ernest Rutherford, ns. Ydinfysiikan isä, löysi protonin vuonna 1919. Rutherford arvasi, että elektronit ja protonit voisivat yhdistyä tuottamaan neutraalin partikkelin, jolla on suunnilleen sama massa protonina, ja tutkijat uskoivat tällaisen hiukkasen olevan olemassa monista syistä. Esimerkiksi tiedettiin, että heliumin ytimen atominumero on 2, mutta massa- luku on 4, mikä tarkoitti, että se sisälsi jonkinlaisen neutraalin mysteerimassan. Kukaan ei ole koskaan havainnut neutronia tai todistanut sen olemassaoloa.
Chadwick oli erityisen kiinnostunut Frédéricin ja Irène Joliot-Curien suorittamasta kokeesta, jotka olivat pommittaneet berylliumnäytettä alfa-säteilyllä. He huomauttivat, että pommitukset tuottivat tuntematonta säteilyä, ja kun he antoivat sen lyödä näytteen parafiinivahasta, he havaitsivat korkean energian protoneja lentävän materiaalista.
Koska Chadwick ei ollut tyytyväinen selitykseen siitä, että säteily tehtiin korkeaenergisista fotoneista, se toisti kokeilun ja päätteli, että säteilyn oli muodostettava raskaita hiukkasia ilman varausta. Pommittamalla muita materiaaleja, mukaan lukien helium, typpi ja litium, Chadwick pystyi määrittämään, että kunkin hiukkasen massa oli hiukan enemmän kuin protonin.
Chadwick julkaisi paperinsa “Neutronin olemassaolo” toukokuussa 1932. Vuoteen 1934 mennessä muut tutkijat olivat todenneet, että neutroni oli itse asiassa alkuainepartikkeli eikä protonien ja elektronien yhdistelmä.
Chadwick-atomiteorian merkitys
Atomin nykyaikaisessa käsityksessä säilytetään suurin osa Rutherfordin perustaman planeettamallin ominaisuuksista, mutta tärkeillä muutoksilla, jotka Chadwick ja tanskalainen fyysikko Neils Bohr ovat esittäneet.
Bohr sisällytti käsitteen diskreetistä kiertoradasta, johon elektronit rajoitettiin. Hän perusti tämän kvanttiperiaatteisiin, jotka olivat tuolloin uusia, mutta joista on tullut tieteellisiä todellisuuksia. Bohr-mallin mukaan elektronit miehittävät erillisiä kiertoratoja, ja kun ne siirtyvät toiselle kiertoradalle, ne säteilevät tai absorboivat ei jatkuvina määrinä, vaan energian kimppuina, joita kutsutaan kvanteiksi.
Bohrin ja Chadwickin teosten kanssa atomin nykyaikainen kuva näyttää tältä: Suurin osa atomista on tyhjää tilaa. Negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät protoneista ja neutroneista koostuvan pienen mutta raskaan ytimen. Koska epävarmuusperiaatteeseen perustuva kvantiteoria pitää elektroneja sekä aalloina että hiukkasina, ne eivät voi sijaita lopullisesti. Voit puhua vain todennäköisyydestä, että elektroni on tietyssä asemassa, joten elektronit muodostavat todennäköisyyspilven ytimen ympärille.
Ytimessä olevien neutronien lukumäärä on yleensä sama kuin protonien lukumäärä, mutta se voi olla erilainen. Elementin atomeja, joilla on erilainen määrä neutroneja, kutsutaan kyseisen elementin isotoopeiksi. Useimmissa elementteissä on yksi tai useampi isotooppi, ja joissakin on useita. Esimerkiksi tinalla on 10 stabiilia isotooppia ja vähintään kaksi kertaa niin monta epästabiilia isotooppia, mikä antaa sille keskimääräisen atomimassan, joka on merkittävästi erilainen kuin kaksi kertaa sen atomiluku. Jos James Chadwicks ei löytäisi neutronia koskaan, olisi mahdotonta selittää isotooppien olemassaoloa.
James Chadwicks Osallistuminen atomipommiin
Chadwicksin neutronin löytäminen johti suoraan atomipommin kehitykseen. Koska neutroneilla ei ole varausta, ne voivat tunkeutua syvemmin kohdeatomien ytimiin kuin protonit. Atomiytimien neutronipommituksesta tuli tärkeä menetelmä saada tietoa ytimien ominaisuuksista.
Tutkijoilla ei kulunut kauan havaita, että erittäin raskaan Uraani-235: n pommittaminen neutroneilla oli tapa hajottaa ytimet toisistaan ja vapauttaa valtava määrä energiaa. Uraanin hajoaminen tuottaa enemmän korkeaenergisia neutroneja, jotka hajottavat muut uraaniatomit, ja seurauksena on hallitsematon ketjureaktio. Kun tämä tiedettiin, oli vain kysymys keinon kehittämisestä fissioreaktion käynnistämiseksi kysynnän mukaan jakelukotelossa. Fat Man ja Little Boy, Hiroshiman ja Nagasakin tuhoavat pommit, olivat seurausta Manhattan-projektiksi kutsutusta salaisesta sotatoimista, joka toteutettiin juuri tämän vuoksi.
Neutronit, radioaktiivisuus ja muut
Chadwickin atomiteoria mahdollistaa myös radioaktiivisuuden ymmärtämisen. Jotkut luonnossa esiintyvät mineraalit - samoin kuin ihmisen aiheuttamat mineraalit - säteilevät spontaanisti säteilyä, ja syy liittyy protonien ja neutronien suhteelliseen lukumäärään ytimessä. Ydin on vakain, kun sillä on yhtä suuri lukumäärä, ja se muuttuu epävakaaksi, kun sillä on enemmän kuin yksi. Vakauden palauttamiseksi epävakaa ydin heittää energiaa alfa-, beeta- tai gammasäteilyn muodossa. Alfa-säteily koostuu raskaista hiukkasista, joista kukin koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Beeta-säteily koostuu elektronien ja fotonien gammasäteilystä.
Osana ytimien ja radioaktiivisuuden tutkimusta tutkijat ovat edelleen leikittäneet protoneja ja neutroneja löytääkseen, että ne koostuvat itse pienemmistä hiukkasista, joita kutsutaan kvarkeiksi. Voimaa, joka pitää protoneja ja neutroneja yhdessä ytimessä, kutsutaan vahvaksi voimaksi, ja sitä, joka pitää kvarkkeja yhdessä, tunnetaan värivoimana. Vahva voima on värivoiman sivutuote, joka itsessään riippuu gluonien vaihdosta, jotka ovat vielä toisen tyyppisiä alkuainehiukkasia.
James Chadwick-atomimallin mahdollinen ymmärrys on tuonut maailman ydinaikaan, mutta ovi paljon salaperäisempaan ja monimutkaisempaan maailmaan on auki. Esimerkiksi tutkijat voivat jonain päivänä todistaa, että koko maailmankaikkeus, mukaan lukien atomitumat ja kvarkit, joista ne on tehty, koostuu äärettömän pienistä värisevän energian johdoista. Mitä he löytäisivät, he tekevät sen seisoen Chadwickin kaltaisten pioneerien harteilla.