Indhold
- Hvordan opdagede Chadwick neutronen?
- Betydningen af Chadwick Atomic Theory
- James Chadwicks bidrag til atombomben
- Neutroner, radioaktivitet og videre
Forskere ser i dag atomer som sammensat af små, tunge, positivt ladede kerner omgivet af skyer af ekstremt lette, negativt ladede elektroner. Denne model går tilbage til 1920'erne, men har sin oprindelse i det antikke Grækenland. Filosofen Democritus foreslog eksistensen af atomer omkring 400 f.Kr. Ingen tog virkelig tanken op med nogen inderlighed, indtil den engelske fysiker John Dalton introducerede sin atomteori i begyndelsen af 1800-tallet. Daltons-modellen var ufuldstændig, men den var stort set uændret i det meste af det 19. århundrede.
En flurry af forskning i atommodellen fandt sted i slutningen af det 19. og langt ind i det 20. århundrede, og kulminerede med Schrodinger-modellen af atomet, der er kendt som skymodellen. Kort efter, at fysiker Erwin Schrodinger introducerede det i 1926, tilføjede James Chadwick - en anden engelsk fysiker - et afgørende stykke til billedet. Chadwick er ansvarlig for at opdage eksistensen af neutronen, den neutrale partikel, der deler kernen med det positivt ladede proton.
Chadwicks opdagelse tvang en revision af skymodellen, og forskere omtaler undertiden den reviderede version som atommodellen James Chadwick. Opdagelsen opnåede Chadwick Nobelprisen i fysik fra 1935, og den gjorde det muligt at udvikle atombomben. Chadwick deltog i det superhemmelige Manhattan-projekt, der kulminerede med udbredelsen af atombomber på Hiroshima og Nagasaki. Bomben bidragede til overgivelsen af Japan (mange historikere mener, at Japan alligevel ville have overgivet) og slutningen af 2. verdenskrig. Chadwick døde i 1974.
Hvordan opdagede Chadwick neutronen?
J.J. Thompson opdagede elektronet ved hjælp af katodestrålerør i 1890'erne, og den britiske fysiker Ernest Rutherford, den såkaldte far til nukleær fysik, opdagede protonet i 1919. Rutherford spekulerede i, at elektroner og protoner kunne kombineres for at producere en neutral partikel med omtrent det samme masse som proton, og forskere troede, at en sådan partikel eksisterede af flere grunde. For eksempel blev det kendt, at heliumkernen har et atomnummer på 2 men et massetal på 4, hvilket betød, at den indeholdt en slags neutral mystisk masse. Ingen havde dog nogensinde observeret et neutron eller bevist, at det eksisterede.
Chadwick var især interesseret i et eksperiment udført af Frédéric og Irène Joliot-Curie, der havde bombarderet en prøve af beryllium med alfastråling. De bemærkede, at bombardementet frembragte en ukendt stråling, og da de lod det stikke en prøve af parafinvoks, observerede de protoner med høj energi, der blev kastet fra materialet.
Ikke tilfreds med forklaringen om, at strålingen var lavet af højenergi-fotoner, duplikerede Chadwick eksperimentet og konkluderede, at strålingen måtte være sammensat af tunge partikler uden ladning. Ved at bombardere andre materialer, inklusive helium, nitrogen og lithium, var Chadwick i stand til at bestemme, at massen af hver partikel var lidt mere end protonen.
Chadwick offentliggjorde sin artikel "The Existence of a Neutron" i maj 1932. I 1934 havde andre forskere bestemt, at neutronen faktisk var en elementær partikel og ikke en kombination af protoner og elektroner.
Betydningen af Chadwick Atomic Theory
Den moderne opfattelse af atomet bevarer de fleste af egenskaberne ved den planetariske model etableret af Rutherford, men med vigtige ændringer introduceret af Chadwick og den danske fysiker Neils Bohr.
Det var Bohr, der indarbejdede begrebet diskrete baner, hvortil elektroner var begrænset. Han baserede dette på kvanteprincipper, der var nye på det tidspunkt, men som er blevet etableret som videnskabelige realiteter. I henhold til Bohr-modellen optager elektroner diskrete kredsløb, og når de bevæger sig til en anden bane, udsender eller absorberer de ikke i kontinuerlige mængder, men i bundter af energi, kaldet quanta.
Indarbejdet af Bohr og Chadwicks arbejde ser det moderne billede af atomet ud således: Det meste af atomet er tomt. Negativt ladede elektroner kredser om en lille, men tung kerne sammensat af protoner og neutroner. Fordi kvante teori, der er baseret på usikkerhedsprincippet, betragter elektroner som både bølger og partikler, kan de ikke være definitivt placeret. Du kan kun tale om sandsynligheden for, at et elektron er i en bestemt position, så elektronerne danner en sandsynlighedssky omkring kernen.
Antallet af neutroner i kernen er normalt det samme som antallet af protoner, men det kan være anderledes. Atomer i et element, der har et andet antal neutroner, kaldes isotoper af dette element. De fleste elementer har en eller flere isotop, og nogle har flere. Tin har for eksempel 10 stabile isotoper og mindst dobbelt så mange ustabile, hvilket giver den en gennemsnitlig atommasse, der er væsentligt anderledes end det dobbelte af atomnummeret. Hvis James Chadwicks opdagelse af neutronen aldrig havde fundet sted, ville det være umuligt at forklare eksistensen af isotoper.
James Chadwicks bidrag til atombomben
Chadwicks opdagelse af neutronen førte direkte til udviklingen af atombomben. Da neutroner ikke har nogen ladning, kan de trænge dybere ned i kerne i målatomer end protoner. Neutronbombardement af atomkerner blev en vigtig metode til at få information om kernernes karakteristika.
Det tog ikke forskere lang tid at opdage, at bombardering af supertungt Uran-235 med neutroner var en måde at bryde kernerne fra og frigive en enorm mængde energi. Spaltning af uran producerer flere højenergien neutroner, der bryder andre uranatomer fra hinanden, og resultatet er en ukontrollerbar kædereaktion. Når dette var kendt, var det kun et spørgsmål om at udvikle en måde at indlede fission-reaktionen på-efterspørgsel i et leverbart hus. Fat Man and Little Boy, bomberne, der ødelagde Hiroshima og Nagasaki, var resultatet af den hemmelige krigsindsats kendt som Manhattan-projektet, der blev udført for at gøre netop det.
Neutroner, radioaktivitet og videre
Chadwick Atomic Theory gør det også muligt at forstå radioaktivitet. Nogle naturligt forekommende mineraler - såvel som menneskeskabte mineraler - udsender spontant stråling, og årsagen har at gøre med det relative antal protoner og neutroner i kernen. En kerne er mest stabil, når den har et lige antal, og det bliver ustabilt, når det har mere af det ene end det andet. I et forsøg på at genvinde stabilitet kaster en ustabil kerne energi fra i form af alfa-, beta- eller gammastråling. Alfastråling er sammensat af tunge partikler, der hver består af to protoner og to neutroner. Betastråling består af elektroner og gammastråling af fotoner.
Som en del af studiet af kerner og radioaktivitet har forskere yderligere dissekeret protoner og neutroner for at finde ud af, at de selv er sammensat af mindre partikler kaldet kvarker. Den kraft, der holder protoner og neutroner sammen i kernen kaldes den stærke kraft, og den, der holder kvarker sammen, er kendt som farvekraften. Den stærke kraft er et biprodukt af farvekraften, som i sig selv afhænger af udvekslingen af gluoner, som er en anden type elementær partikel.
Forståelsen, der er gjort mulig af atommodellen James Chadwick, har bragt verden ind i den nukleare tidsalder, men døren til en langt mere mystisk og indviklet verden er åben. For eksempel kan videnskabsmænd en dag bevise, at hele universet, inklusive atomkerner og kvarkerne, hvorfra de er lavet, er sammensat af uendelige strenge af vibrerende energi. Uanset hvad de opdager, så gør de det, der står på skuldrene til pionerer som Chadwick.