Зміст
- Як Чадвік відкрив нейтрон?
- Важливість атомної теорії Чадвіка
- Вклад Джеймса Чадвікса в атомну бомбу
- Нейтрони, радіоактивність та ін
Вчені сьогодні передбачають, що атоми складаються з крихітних, важких, позитивно заряджених ядер, оточених хмарами надзвичайно легких, негативно заряджених електронів. Ця модель відноситься до 1920-х років, але вона має своє походження ще в Стародавній Греції. Філософ Демокріт запропонував існування атомів близько 400 до н.е. Ніхто насправді не брався за цю ідею із запалом, поки англійський фізик Джон Далтон не ввів свою атомну теорію на початку 1800-х років. Модель Дальтона була незавершеною, але вона зберігалася в основному незмінною протягом більшої частини 19 століття.
Шквал досліджень атомної моделі відбувся наприкінці 19-го і в 20-му столітті, кульмінацією якої стала модель атома Шродінгера, яка відома як хмарна модель. Незабаром після того, як фізик Ервін Шродінгер представив його в 1926 році, Джеймс Чадвік - ще один англійський фізик - додав до картини вирішальну роль. Чадвік відповідає за виявлення існування нейтрона, нейтральної частинки, яка ділить ядро з позитивно зарядженим протоном.
Відкриття Чадвікса змусило переглянути модель хмари, і вчені іноді називають доопрацьовану версію як атомну модель Джеймса Чадвіка. Відкриття отримало Чадвіку Нобелівську премію з фізики 1935 року, і це стало можливим для розвитку атомної бомби. Чадвік брав участь у надпотаємному проекті на Манхеттені, кульмінацією якого було розгортання ядерних бомб на Хіросіму та Нагасакі. Бомба сприяла капітуляції Японії (багато істориків вважають, що Японія все-таки здалася б) і закінченню Другої світової війни. Чадвік помер у 1974 році.
Як Чадвік відкрив нейтрон?
Дж. Дж. Томпсон виявив електрон за допомогою катодних променевих трубок у 1890-х роках, а британський фізик Ернест Резерфорд, так званий батько ядерної фізики, відкрив протон у 1919 році. маси, як протон, і вчені вважали, що така частинка існує з кількох причин. Наприклад, було відомо, що ядро гелію має атомне число 2, але масове число 4, що означало, що воно містить якусь нейтральну таємницьку масу. Ніхто ніколи не спостерігав за нейтроном і не довів, що він існує.
Чадвік особливо зацікавився експериментом, проведеним Фредеріком та Іреною Жоліо-Кюрі, які обстріляли зразок берилію альфа-випромінюванням. Вони зазначили, що обстріл спричинив невідоме випромінювання, і коли вони дозволили йому вразити зразок парафінового воску, вони спостерігали, як протони вилітають високоенергетичні протони.
Незадоволений поясненням того, що випромінювання було зроблено з високоенергетичних фотонів, Чадвік повторив експеримент і дійшов висновку, що випромінювання повинно складатися з важких частинок без заряду. Шляхом бомбардування інших матеріалів, включаючи гелій, азот та літій, Чадвік зміг визначити, що маса кожної частинки була трохи більшою, ніж у протона.
У травні 1932 р. Чадвік опублікував свою працю "Існування нейтрона". До 1934 р. Інші дослідники визначили, що нейтрон насправді є елементарною частинкою, а не комбінацією протонів і електронів.
Важливість атомної теорії Чадвіка
Сучасна концепція атома зберігає більшість характеристик планетарної моделі, встановленої Резерфордом, але з важливими модифікаціями, введеними Чадвіком та датським фізиком Нілом Бор.
Саме Бор включив концепцію дискретних орбіт, до яких обмежені електрони. Він ґрунтував це на нових, на той час, квантових принципах, які стали усталеними як наукові реалії. Відповідно до моделі Бора, електрони займають дискретні орбіти, і коли вони переходять на іншу орбіту, вони випромінюють або поглинають не в безперервних кількостях, а в пучках енергії, званих квантами.
Сучасна робота Бора та Чадвіка, сучасна картина атома виглядає приблизно так: Більшість атомів - це порожній простір. Негативно заряджені електрони орбітують невеликим, але важким ядром, що складається з протонів і нейтронів. Оскільки квантова теорія, яка ґрунтується на принципі невизначеності, розглядає електрони як хвилі, так і частинки, їх не можна остаточно визначити. Можна говорити лише про ймовірність перебування електрона в певному положенні, тому електрони утворюють навколо ядра ймовірність хмари.
Кількість нейтронів у ядрі зазвичай однакове, як кількість протонів, але воно може бути різним. Атоми елемента, які мають різну кількість нейтронів, називаються ізотопами цього елемента. Більшість елементів мають один або більше ізотопів, а деякі - кілька. Наприклад, олово має 10 стабільних ізотопів і щонайменше вдвічі більше нестабільних, що дає йому середню атомну масу, значно іншу, ніж удвічі більше атомного числа. Якби виявлення нейтрона Джеймсом Чадвіком ніколи не відбулося, неможливо було б пояснити існування ізотопів.
Вклад Джеймса Чадвікса в атомну бомбу
Відкриття Чадвіксом нейтрона призвело безпосередньо до розвитку атомної бомби. Оскільки нейтрони не мають заряду, вони можуть проникати глибше в ядра атомів мішені, ніж протони. Нейтронне обстріл атомних ядер стало важливим методом отримання інформації про характеристики ядер.
Однак вченим не знадобилося довго виявити, що бомбардування надважкого урану-235 нейтронами - це спосіб розбити ядра на частини та вивільнити величезну кількість енергії. Розщеплення урану виробляє більше високоенергетичних нейтронів, які розбивають інші атоми урану, і в результаті виходить неконтрольована ланцюгова реакція. Як тільки це було відомо, це було лише питання розробки способу ініціювання реакції поділу на вимогу в корпусі, що постачається. Товстун і маленький хлопчик, бомби, що знищили Хіросіму та Нагасакі, були результатом таємних зусиль війни, відомих як проект Манхеттена, що проводився саме для цього.
Нейтрони, радіоактивність та ін
Атомна теорія Чадвіка також дозволяє зрозуміти радіоактивність. Деякі мінерали, що зустрічаються в природі - як і людинотворні - мимовільно випромінюють випромінювання, і причина пов'язана з відносною кількістю протонів і нейтронів у ядрі. Ядро є найбільш стійким, коли воно має рівну кількість, і воно стає нестабільним, коли має більше одного, ніж інше. Прагнучи повернути стабільність, нестабільне ядро скидає енергію у вигляді альфа, бета або гамма-випромінювання. Альфа-випромінювання складається з важких частинок, кожна з яких складається з двох протонів і двох нейтронів. Бета-випромінювання складається з електронів і гамма-випромінювання фотонів.
У рамках дослідження ядер та радіоактивності вчені далі розсікали протони та нейтрони, виявивши, що вони самі складаються з менших частинок, званих кварками. Сила, яка утримує протони та нейтрони разом у ядрі, називається сильною силою, а сила, яка тримає кварки разом, відома як сила кольору. Сильна сила - це побічний продукт кольорової сили, що сам по собі залежить від обміну глюонів, які є ще одним типом елементарної частинки.
Розуміння, яке стало можливим завдяки атомній моделі Джеймса Чадвіка, привело світ у ядерну епоху, але двері до куди більш загадкового та заплутаного світу широко відкриті. Наприклад, вчені можуть одного дня довести, що весь Всесвіт, включаючи атомні ядра та кварки, з яких вони створені, складається з нескінченно малих струн вібруючої енергії. Що б вони не відкрили, вони зроблять це, стоячи на плечах піонерів, таких як Чадвік.