Ученые сегодня предполагают, что атомы состоят из крошечных, тяжелых, положительно заряженных ядер, окруженных облаками чрезвычайно легких, отрицательно заряженных электронов. Эта модель восходит к 1920-м годам, но она берет свое начало в древней Греции. Философ Демокрит предположил существование атомов около 400 г. до н.э. Никто не принимал эту идею с энтузиазмом, пока английский физик Джон Далтон не представил свою атомную теорию в начале 1800-х годов. Модель Далтона была неполной, но она оставалась в основном неизменной на протяжении большей части 19-го века.

Шквал исследований атомной модели произошел в конце 19-го и в 20-м веке, кульминацией которого стала модель атома Шредингера, известная как облачная модель. Вскоре после того, как физик Эрвин Шрёдингер представил его в 1926 году, Джеймс Чедвик - другой английский физик - добавил решающую часть к картине. Чедвик отвечает за обнаружение существования нейтрона, нейтральной частицы, которая разделяет ядро ​​с положительно заряженным протоном.

Открытие Чедвика вызвало пересмотр облачной модели, и ученые иногда называют пересмотренную версию атомной моделью Джеймса Чедвика. Это открытие принесло Чедвику Нобелевскую премию по физике 1935 года, что позволило создать атомную бомбу. Чедвик участвовал в сверхсекретном Манхэттенском проекте, кульминацией которого стало размещение ядерных бомб на Хиросиме и Нагасаки. Бомба способствовала капитуляции Японии (многие историки полагают, что в любом случае Япония сдалась бы) и окончанию Второй мировой войны. Чедвик умер в 1974 году.

Как Чедвик открыл нейтрон?

Джей-Джей Томпсон открыл электрон с помощью электронно-лучевых трубок в 1890-х годах, а британский физик Эрнест Резерфорд, так называемый отец ядерной физики, открыл протон в 1919 году. Резерфорд предположил, что электроны и протоны могут объединяться, образуя нейтральную частицу с примерно одинаковыми частицами. масса как протон, и ученые полагали, что такая частица существовала по нескольким причинам. Например, было известно, что ядро ​​гелия имеет атомный номер 2, но массовое число 4, что означало, что оно содержало какую-то нейтральную загадочную массу. Никто никогда не наблюдал нейтрон и не доказывал, что он существует.

Чедвика особенно интересовал эксперимент, проведенный Фредериком и Ирэн Жолио-Кюри, которые бомбардировали образец бериллия альфа-излучением. Они отметили, что бомбардировка произвела неизвестное излучение, и когда они позволили ему ударить образец парафинового воска, они наблюдали выброс высокоэнергичных протонов из материала.

Не удовлетворенный объяснением того, что излучение было сделано из высокоэнергетических фотонов, Чедвик повторил эксперимент и пришел к выводу, что излучение должно состоять из тяжелых частиц без заряда. Путем бомбардировки других материалов, включая гелий, азот и литий, Чедвик смог определить, что масса каждой частицы была чуть больше массы протона.

Чедвик опубликовал свою статью «Существование нейтрона» в мае 1932 года. К 1934 году другие исследователи установили, что нейтрон на самом деле является элементарной частицей, а не комбинацией протонов и электронов.

Важность атомной теории Чедвика

Современная концепция атома сохраняет большинство характеристик планетарной модели, созданной Резерфордом, но с важными модификациями, введенными Чедвиком и датским физиком Нилсом Бором.

Именно Бор включил в себя концепцию дискретных орбит, к которой привязаны электроны. Он основывал это на квантовых принципах, которые были новыми в то время, но которые стали утверждаться как научные реалии. Согласно модели Бора, электроны занимают дискретные орбиты, и когда они движутся на другую орбиту, они излучают или поглощают не в непрерывных количествах, а в пучках энергии, называемых квантами.

Включая работу Бора и Чедвика, современная картина атома выглядит следующим образом: большая часть атома является пустым пространством. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг небольшого, но тяжелого ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Поскольку квантовая теория, основанная на принципе неопределенности, рассматривает электроны как волны и частицы, они не могут быть точно определены. Можно говорить только о вероятности того, что электрон окажется в определенной позиции, поэтому электроны образуют облако вероятности вокруг ядра.

Количество нейтронов в ядре обычно совпадает с числом протонов, но может быть иным. Атомы элемента, которые имеют различное количество нейтронов, называются изотопами этого элемента. Большинство элементов имеют один или несколько изотопов, а некоторые имеют несколько. Например, олово имеет 10 стабильных изотопов и, по крайней мере, в два раза больше нестабильных, что дает ему среднюю атомную массу, значительно отличающуюся от его атомного номера в два раза. Если бы открытие Джеймсом Чедвиком нейтрона никогда не происходило, было бы невозможно объяснить существование изотопов.

Вклад Джеймса Чедвика в атомную бомбу

Открытие Чедвиком нейтрона привело непосредственно к созданию атомной бомбы. Поскольку нейтроны не имеют заряда, они могут проникать глубже в ядра атомов-мишеней, чем протоны. Нейтронная бомбардировка атомных ядер стала важным методом получения информации о характеристиках ядер.

Однако ученым не потребовалось много времени, чтобы обнаружить, что бомбардировка сверхтяжелого урана-235 нейтронами была способом разрушения ядер и выделения огромного количества энергии. В результате деления урана образуется больше нейтронов высокой энергии, которые разрывают другие атомы урана, и в результате возникает неуправляемая цепная реакция. Как только это стало известно, нужно было только разработать способ инициирования реакции деления по требованию в доставляемом корпусе. Толстяк и маленький мальчик, бомбы, которые уничтожили Хиросиму и Нагасаки, были результатом секретной войны, известной как Манхэттенский проект, который был осуществлен именно для этого.

Нейтроны, радиоактивность и не только

Атомная теория Чедвика также позволяет понять радиоактивность. Некоторые природные минералы, а также искусственные - самопроизвольно испускают излучение, и причина связана с относительным количеством протонов и нейтронов в ядре. Ядро наиболее устойчиво, когда оно имеет равное число, и становится нестабильным, когда в нем больше одного, чем другого. Стремясь восстановить стабильность, нестабильное ядро ​​выбрасывает энергию в виде альфа, бета или гамма-излучения. Альфа-излучение состоит из тяжелых частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Бета-излучение состоит из электронов и гамма-излучения фотонов.

В рамках изучения ядер и радиоактивности ученые дополнительно проанализировали протоны и нейтроны, чтобы выяснить, что они сами состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Сила, которая удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре, называется сильной силой, а та, которая удерживает кварки вместе, называется силой цвета. Сильная сила является побочным продуктом цветовой силы, которая сама зависит от обмена глюонов, которые являются еще одним типом элементарной частицы.

Понимание, которое стало возможным благодаря атомной модели Джеймса Чедвика, привело мир в ядерный век, но дверь в гораздо более загадочный и запутанный мир широко открыта. Например, ученые могут однажды доказать, что вся вселенная, включая атомные ядра и кварки, из которых они сделаны, состоит из бесконечно малых струн вибрирующей энергии. Что бы они ни обнаружили, они сделают это, стоя на плечах таких пионеров, как Чедвик.