Съдържание
- Как Чадуик откри неутрона?
- Значението на атомната теория на Чадуик
- Принос на Джеймс Чадуик за атомната бомба
- Неутрони, радиоактивност и други
Днес учените предполагат, че атомите са съставени от малки, тежки, положително заредени ядра, заобиколени от облаци от изключително леки, отрицателно заредени електрони. Този модел датира от 20-те години, но той има своя произход в древна Гърция. Философът Демокрит предложи съществуването на атоми около 400 г. пр.н.е. Никой всъщност не се заема с идеята, докато английският физик Джон Далтън не представи атомната си теория в началото на 1800-те. Моделът на Далтън беше непълен, но той продължи да остава непроменен през по-голямата част от 19 век.
В края на 19-ти и добре в 20-ти век възниква вълна от проучвания на атомния модел, кулминация на модела на Schrodinger на атома, който е известен като облачния модел. Скоро след като физикът Ервин Шрьодингер го представи през 1926 г., Джеймс Чадуик - друг английски физик - добави решаващо парче към картината. Чадуик е отговорен за откриването на съществуването на неутрона, неутралната частица, която споделя ядрото с положително заредения протон.
Откриването на Чадуик принуди преразглеждане на модела на облаците и понякога учените наричат преработената версия като атомния модел на Джеймс Чадуик. Откритието спечели на Чадуик Нобеловата награда за физика от 1935 г. и направи възможно развитието на атомната бомба. Чадуик участва в свръхсекретния проект на Манхатън, който завърши с разполагането на ядрени бомби върху Хирошима и Нагасаки. Бомбата допринесе за капитулацията на Япония (много историци смятат, че Япония така или иначе би се предала) и края на Втората световна война. Чадуик умира през 1974г.
Как Чадуик откри неутрона?
J.J. Томпсън открива електрона с помощта на катодни тръби през 1890-те, а британският физик Ърнест Ръдърфорд, така нареченият баща на ядрената физика, откри протона през 1919 г. Ръдърфорд предположи, че електроните и протоните могат да се комбинират, за да произведат неутрална частица с приблизително еднаква маса като протон и учените смятали, че такава частица съществува по няколко причини. Например, беше известно, че ядрото на хелия има атомно число 2, но масово число 4, което означава, че съдържа някаква неутрална мистериозна маса. Никой обаче не беше наблюдавал неутрон или доказа, че той съществува.
Чадуик се интересувал особено от експеримент, проведен от Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, които са бомбардирали проба от берилий с алфа лъчение. Те отбелязаха, че бомбардировката произвежда неизвестна радиация и когато позволиха на нея да удари проба парафинов восък, забелязаха високоенергийни протони, които се изхвърлят от материала.
Недоволен от обяснението, че излъчването е направено от високоенергийни фотони, Чадуик дублира експеримента и заключи, че радиацията трябва да се състои от тежки частици без заряд. Чрез бомбардирането на други материали, включително хелий, азот и литий, Чадуик успя да определи, че масата на всяка частица е малко повече от тази на протона.
Чадуик публикува своята книга „Съществуването на неутрон“ през май 1932 г. До 1934 г. други изследователи са определили, че неутронът всъщност е елементарна частица, а не комбинация от протони и електрони.
Значението на атомната теория на Чадуик
Съвременната концепция за атома запазва повечето от характеристиките на планетарния модел, установен от Ръдърфорд, но с важни модификации, въведени от Чадуик и датския физик Нийл Бор.
Бор е включил концепцията за дискретни орбити, до които са ограничени електроните. Той се базира на квантови принципи, които бяха нови по онова време, но които се утвърдиха като научни реалности. Според модела на Бор, електроните заемат дискретни орбити и когато се придвижат към друга орбита, те излъчват или абсорбират не в непрекъснати количества, а в снопове енергия, наречени кванти.
Включвайки работата на Бор и Чадуик, съвременната картина на атома изглежда така: По-голямата част от атома е празно пространство. Отрицателно заредените електрони орбитират малко, но тежко ядро, съставено от протони и неутрони. Тъй като квантовата теория, която се основава на принципа на несигурност, разглежда електроните като вълни и частици, те не могат да бъдат окончателно разположени. Можете да говорите само за вероятността електрон да бъде в определена позиция, така че електроните образуват вероятностен облак около ядрото.
Броят на неутроните в ядрото обикновено е същият като броя на протоните, но може да бъде различен. Атомите на елемент, които имат различен брой неутрони, се наричат изотопи на този елемент. Повечето елементи имат един или повече изотопа, а някои имат няколко. Тинът например има 10 стабилни изотопа и поне два пъти повече нестабилни, което му придава средна атомна маса, значително различна от два пъти повече от атомния му брой. Ако откриването на неутрон от Джеймс Чадуикс никога не се беше случило, би било невъзможно да се обясни съществуването на изотопи.
Принос на Джеймс Чадуик за атомната бомба
Откриването на Чадуик на неутрона доведе директно до развитието на атомната бомба. Тъй като неутроните нямат заряд, те могат да проникнат по-дълбоко в ядрата на прицелните атоми, отколкото протоните. Неутронното бомбардиране на атомни ядра стана важен метод за получаване на информация за характеристиките на ядрата.
Не беше нужно дълго на учените да открият, че бомбардирането на свръх тежък Уран-235 с неутрони е начин да разрушат ядрата и да освободят огромно количество енергия. Деленето на уран произвежда повече високоенергийни неутрони, които разграждат други уранови атоми, а резултатът е неконтролируема верижна реакция. След като това беше известно, ставаше въпрос само за разработването на начин за иницииране на реакцията на делене при поискване в доставен корпус. Дебел човек и малко момче, бомбите, които унищожиха Хирошима и Нагасаки, са резултат от тайните военни усилия, известни като проект на Манхатън, които бяха проведени да направят точно това.
Неутрони, радиоактивност и други
Атомната теория на Чадуик също дава възможност да се разбере радиоактивността. Някои естествено срещащи се минерали - както и тези, произведени от човека - спонтанно излъчват радиация, а причината е свързана с относителния брой протони и неутрони в ядрото. Ядрото е най-стабилно, когато има равен брой, и става нестабилно, когато има повече от едно. В опит да си върне стабилността, нестабилното ядро изхвърля енергия под формата на алфа, бета или гама лъчение. Алфа лъчението е съставено от тежки частици, всяка от които се състои от два протона и два неутрона. Бета-лъчението се състои от електрони и гама-излъчване на фотони.
Като част от изследването на ядрата и радиоактивността, учените допълнително са дисектирали протони и неутрони, за да установят, че самите те са съставени от по-малки частици, наречени кварки. Силата, която държи протоните и неутроните заедно в ядрото, се нарича силната сила, а тази, която държи кварки заедно, е известна като силата на цвета. Силната сила е страничен продукт от цветната сила, която сама зависи от обмяната на глуони, които са още един вид елементарна частица.
Разбирането, което стана възможно от атомния модел на Джеймс Чадуик, доведе света в ядрената епоха, но вратата към един далеч по-загадъчен и сложен свят е широко отворена. Например учените един ден могат да докажат, че цялата Вселена, включително атомните ядра и кварките, от които са направени, е съставена от безкрайно малки струни на вибрираща енергия. Каквото и да открият, те ще го направят заставайки на раменете на пионери като Чадуик.