Περιεχόμενο
- Πώς γνώριζε ο Chadwick το νετρονίο;
- Η σημασία της ατομικής θεωρίας του Chadwick
- Συμβολή του James Chadwicks στην ατομική βόμβα
- Νετρονίων, Ραδιενέργειας και Πέρα
Οι επιστήμονες σήμερα θεωρούν ότι τα άτομα αποτελούνται από μικρούς, βαρείς, θετικά φορτισμένους πυρήνες που περιβάλλονται από σύννεφα εξαιρετικά ελαφρών, αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Αυτό το μοντέλο χρονολογείται από τη δεκαετία του 1920, αλλά έχει την προέλευσή του στην αρχαία Ελλάδα. Ο φιλόσοφος Δημόκριτος πρότεινε την ύπαρξη ατόμων γύρω στα 400 π.Χ. Κανείς δεν πήρε πραγματικά την ιδέα με οποιαδήποτε θλίψη μέχρι που ο αγγλικός φυσικός John Dalton εισήγαγε την ατομική του θεωρία στις αρχές του 1800. Το μοντέλο Daltons ήταν ατελές, αλλά παρέμεινε βασικά αμετάβλητο καθ 'όλη τη διάρκεια του 19ου αιώνα.
Μια αναταραχή της έρευνας στο ατομικό μοντέλο συνέβη στα τέλη του 19ου αιώνα και στον 20ο αιώνα, με αποκορύφωμα το μοντέλο Schrodinger του ατόμου, το οποίο είναι γνωστό ως μοντέλο σύννεφο. Λίγο αργότερα ο φυσικός Erwin Schrodinger το παρουσίασε το 1926, ο James Chadwick - ένας άλλος φυσικός της Αγγλίας - πρόσθεσε ένα κρίσιμο κομμάτι στην εικόνα. Ο Chadwick είναι υπεύθυνος για την ανακάλυψη της ύπαρξης του νετρονίου, του ουδέτερου σωματιδίου που μοιράζεται τον πυρήνα με το θετικά φορτισμένο πρωτόνιο.
Η ανακάλυψη του Chadwicks ανάγκασε μια αναθεώρηση του μοντέλου σύννεφο και οι επιστήμονες μερικές φορές αναφέρονται στην αναθεωρημένη έκδοση ως το ατομικό μοντέλο James Chadwick. Η ανακάλυψη κέρδισε τον Chadwick το 1935 βραβείο Νόμπελ στη φυσική και κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας. Ο Τσάτγουικ συμμετείχε στο υπερφυσικό έργο του Μανχάταν, το οποίο κατέληξε στην ανάπτυξη πυρηνικών βομβών στη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι. Η βόμβα συνέβαλε στην παράδοση της Ιαπωνίας (πολλοί ιστορικοί πιστεύουν ότι η Ιαπωνία θα είχε παραδοθεί ούτως ή άλλως) και το τέλος του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου. Ο Τσάντγουικ πέθανε το 1974.
Πώς γνώριζε ο Chadwick το νετρονίο;
J.J. Ο Thompson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο με σωλήνες καθοδικών ακτίνων στη δεκαετία του 1890 και ο Βρετανός φυσικός Ernest Rutherford, ο αποκαλούμενος πατέρας της πυρηνικής φυσικής, ανακάλυψε το πρωτόνιο το 1919. Ο Rutherford υπολόγισε ότι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια μπορούν να συνδυαστούν για να παράγουν ένα ουδέτερο σωματίδιο περίπου με το ίδιο μάζα ως πρωτόνιο, και οι επιστήμονες πίστευαν ότι ένα τέτοιο σωματίδιο υπήρχε για διάφορους λόγους. Για παράδειγμα, ήταν γνωστό ότι ο πυρήνας του ηλίου έχει ατομικό αριθμό 2 αλλά έναν αριθμό μάζας 4, πράγμα που σήμαινε ότι περιείχε κάποιου είδους ουδέτερη μυστική μάζα. Κανείς δεν είχε ποτέ παρατηρήσει ένα νετρόνιο ή απέδειξε ότι υπήρχε.
Ο Chadwick ενδιαφέρθηκε ιδιαίτερα για ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε από τους Frédéric και Irène Joliot-Curie, οι οποίοι είχαν βομβαρδίσει ένα δείγμα βηρυλλίου με άλφα ακτινοβολία. Σημείωσαν ότι ο βομβαρδισμός δημιούργησε μια άγνωστη ακτινοβολία και όταν τους επέτρεψαν να χτυπήσουν ένα δείγμα κεριού παραφίνης, παρατηρούσαν ότι τα πρωτόνια υψηλής ενέργειας πέφτουν από το υλικό.
Ανεπαίσθητος με την εξήγηση ότι η ακτινοβολία κατασκευάστηκε από φωτόνια υψηλής ενέργειας, ο Chadwick διόρθωσε το πείραμα και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία έπρεπε να αποτελείται από βαριά σωματίδια χωρίς χρέωση. Με το βομβαρδισμό άλλων υλικών, συμπεριλαμβανομένου του ηλίου, του αζώτου και του λιθίου, ο Τσάντουκτ ήταν σε θέση να προσδιορίσει ότι η μάζα κάθε σωματιδίου ήταν λίγο μεγαλύτερη από εκείνη ενός πρωτονίου.
Ο Chadwick δημοσίευσε το βιβλίο του «Η ύπαρξη ενός νετρονίου» τον Μάιο του 1932. Μέχρι το 1934, άλλοι ερευνητές είχαν διαπιστώσει ότι το νετρόνιο ήταν στην πραγματικότητα ένα στοιχειώδες σωματίδιο και όχι ένας συνδυασμός πρωτονίων και ηλεκτρονίων.
Η σημασία της ατομικής θεωρίας του Chadwick
Η σύγχρονη αντίληψη του ατόμου διατηρεί τα περισσότερα από τα χαρακτηριστικά του πλανητικού μοντέλου που καθόρισε ο Rutherford, αλλά με σημαντικές τροποποιήσεις που εισήγαγε ο Chadwick και ο Δανός φυσικός Neils Bohr.
Ήταν ο Bohr ο οποίος ενσωμάτωσε την έννοια των διακριτών τροχιών στις οποίες περιορίστηκαν τα ηλεκτρόνια. Στηριζόταν στις κβαντικές αρχές που ήταν καινούργιες εκείνη τη στιγμή, αλλά που έχουν καθιερωθεί ως επιστημονικές πραγματικότητες. Σύμφωνα με το μοντέλο Bohr, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν διακριτές τροχιές, και όταν μετακινούνται σε μια άλλη τροχιά, εκπέμπουν ή απορροφούν όχι σε συνεχείς ποσότητες, αλλά σε δεσμίδες ενέργειας, που ονομάζονται ποσοτικά.
Ενσωματώνοντας το έργο των Bohr και Chadwick, η σύγχρονη εικόνα του ατόμου μοιάζει με αυτό: Το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι κενός χώρος. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από ένα μικρό αλλά βαρύ πυρήνα αποτελούμενο από πρωτόνια και νετρόνια. Επειδή η κβαντική θεωρία, η οποία βασίζεται στην αρχή της αβεβαιότητας, αφορά τα ηλεκτρόνια τόσο ως κύματα όσο και ως σωματίδια, δεν μπορούν να βρεθούν οριστικά. Μπορείτε να μιλήσετε μόνο για την πιθανότητα ένα ηλεκτρόνιο να βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να σχηματίζουν ένα σύννεφο πιθανότητας γύρω από τον πυρήνα.
Ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα είναι συνήθως ο ίδιος με τον αριθμό των πρωτονίων, αλλά μπορεί να είναι διαφορετικός. Τα άτομα ενός στοιχείου που έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων καλούνται ισότοπα αυτού του στοιχείου. Τα περισσότερα στοιχεία έχουν ένα ή περισσότερα ισότοπα, και μερικά έχουν πολλά. Η κασσίτερος, για παράδειγμα, έχει 10 σταθερά ισότοπα και τουλάχιστον δύο φορές περισσότερα ασταθή, δίνοντάς της μια μέση ατομική μάζα σημαντικά διαφορετική από το διπλάσιο του ατομικού της αριθμού. Αν η ανακάλυψη του νετρονίου δεν είχε συμβεί ποτέ από τον James Chadwicks, θα ήταν αδύνατο να εξηγήσουμε την ύπαρξη ισοτόπων.
Συμβολή του James Chadwicks στην ατομική βόμβα
Η ανακάλυψη του νετρονίου από τον Chadwicks οδήγησε άμεσα στην ανάπτυξη της ατομικής βόμβας. Επειδή τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο, μπορούν να διεισδύσουν πιο βαθιά στους πυρήνες των ατόμων στόχων από τα πρωτόνια. Ο βομβαρδισμός νετρονίων των ατομικών πυρήνων έγινε μια σημαντική μέθοδος για να αποκτήσουν πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά των πυρήνων.
Δεν χρειάστηκε πολύς χρόνος από τους επιστήμονες για να ανακαλύψουν ότι ο βομβαρδισμός του υπερβολικά βαρύ ουρανίου-235 με νετρόνια ήταν ένας τρόπος να σπάσουμε τους πυρήνες και να απελευθερώσουμε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η σχάση του ουρανίου παράγει περισσότερα νετρόνια υψηλής ενέργειας που διασπούν τα άλλα άτομα ουρανίου και το αποτέλεσμα είναι μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση. Μόλις αυτό ήταν γνωστό, ήταν μόνο θέμα ανάπτυξης μιας μεθόδου για την έναρξη της αντίδρασης σχάσης κατόπιν ζήτησης σε ένα παραδοτέο περίβλημα. Το Fat Man and Little Boy, οι βόμβες που κατέστρεψαν τη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι, ήταν το αποτέλεσμα της μυστικής προσπάθειας πολέμου γνωστή ως το έργο του Μανχάταν που διεξήχθη για να κάνει ακριβώς αυτό.
Νετρονίων, Ραδιενέργειας και Πέρα
Η ατομική θεωρία του Chadwick καθιστά επίσης δυνατή την κατανόηση της ραδιενέργειας. Ορισμένα ορυκτά που απαντώνται στη φύση - καθώς και ανθρωπογενή - εκπέμπουν αυθόρμητα ακτινοβολία και ο λόγος έχει να κάνει με τον σχετικό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων στον πυρήνα. Ο πυρήνας είναι πιο σταθερός όταν έχει ίσο αριθμό και γίνεται ασταθής όταν έχει περισσότερους από έναν. Σε μια προσπάθεια να ανακτήσει τη σταθερότητα, ένας ασταθής πυρήνας εκπέμπει ενέργεια με τη μορφή της άλφα, βήτα ή ακτινοβολίας γάμμα. Η άλφα ακτινοβολία αποτελείται από βαριά σωματίδια, το καθένα από τα οποία αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Η ακτινοβολία βήτα αποτελείται από ηλεκτρόνια και ακτινοβολία γάμμα φωτονίων.
Στο πλαίσιο της μελέτης των πυρήνων και της ραδιενέργειας, οι επιστήμονες έχουν αναλύσει περαιτέρω πρωτόνια και νετρόνια για να διαπιστώσουν ότι αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Η δύναμη που κρατά πρωτόνια και νετρόνια μαζί στον πυρήνα ονομάζεται ισχυρή δύναμη και εκείνη που κρατά τα κουάρκ μαζί είναι γνωστή ως η χρωματική δύναμη. Η ισχυρή δύναμη είναι ένα υποπροϊόν της χρωματικής δύναμης, η οποία εξαρτάται από την ανταλλαγή των γλουτονίων, τα οποία είναι ακόμα ένας άλλος τύπος στοιχειωδών σωματιδίων.
Η κατανόηση που κατέστη δυνατή από το ατομικό μοντέλο του James Chadwick έφερε τον κόσμο στην πυρηνική εποχή, αλλά η πόρτα σε έναν πολύ πιο μυστηριώδη και περίπλοκο κόσμο είναι πολύ ανοικτή. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες μπορεί μία μέρα να αποδείξουν ότι ολόκληρο το σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων των ατομικών πυρήνων και των κουάρκ από τα οποία παράγονται, αποτελείται από απειροελάχιστες χορδές δόνησης. Ό, τι ανακαλύπτουν, το κάνουν να στέκεται στους ώμους των πρωτοπόρων όπως ο Chadwick.