Sisu
- Kuidas Chadwick avastas neutroni?
- Chadwicki aatomiteooria tähtsus
- James Chadwicksi kaastöö aatomipommile
- Neutronid, radioaktiivsus ja muud
Tänapäeval arvavad teadlased, et aatomid koosnevad väikestest, rasketest, positiivselt laetud tuumadest, mida ümbritsevad äärmiselt kerged ja negatiivselt laetud elektronid. See mudel pärineb 1920. aastatest, kuid see sai alguse Vana-Kreekast. Filosoof Democritus pakkus aatomite olemasolu umbes 400 B.C. Keegi ei võtnud seda ideed õhkõrnalt edasi enne, kui inglise füüsik John Dalton tutvustas oma aatomiteooriat 1800. aastate alguses. Daltonsi mudel oli puudulik, kuid püsis peaaegu muutumatuna kogu 19. sajandi vältel.
Aatomimudeli uurimine algas 19. sajandi lõpus ja 20. sajandil, kulmineerudes aatomi Schrodingeri mudeliga, mida tuntakse pilvemudelina. Varsti pärast seda, kui füüsik Erwin Schrodinger selle 1926. aastal tutvustas, lisas James Chadwick - teine inglise füüsik - pildi üliolulise tüki. Chadwick vastutab neutroni - neutraalse osakese olemasolu kohta, mis jagab tuuma positiivselt laetud prootoniga - olemasolu.
Chadwicksi avastus sundis pilvemudelit revideerima ja teadlased viitavad muudetud versioonile mõnikord James Chadwicki aatomimudelina. Avastus teenis Chadwicki 1935. aastal Nobeli füüsikapreemia ja see tegi võimalikuks aatomipommi väljatöötamise. Chadwick osales ül salajases Manhattani projektis, mis kulmineerus tuumapommide paigutamisega Hiroshimale ja Nagasakile. Pomm aitas kaasa Jaapani alistumisele (paljude ajaloolaste arvates oleks Jaapan niikuinii alistunud) ja II maailmasõja lõpuni. Chadwick suri 1974. aastal.
Kuidas Chadwick avastas neutroni?
J.J. Thompson avastas elektroni katoodkiiretorude abil 1890ndatel ja tuumafüüsika nn isa füüsik Ernest Rutherford avastas prootoni 1919. Rutherford spekuleeris, et elektronid ja prootonid võivad ühendada, et saada umbes sama neutraalne osake. mass prootonina ja teadlased uskusid, et selline osake on olemas mitmel põhjusel. Näiteks oli teada, et heeliumituumas on aatomiarv 2, kuid massiarv 4, mis tähendas, et see sisaldas mingisugust neutraalset müsteeriumimassi. Keegi polnud kunagi neutronit täheldanud ega tõestanud selle olemasolu.
Chadwick oli eriti huvitatud eksperimendist, mille viisid läbi Frédéric ja Irène Joliot-Curie, kes olid berülliumiproovi alfakiirgusega pommitanud. Nad märkisid, et pommitamine tekitas tundmatu kiirguse ja kui nad lasid sellel parafiiniproovist välja lüüa, vaatasid nad, et materjalist voolasid kõrge energiaga prootonid.
Kuna Chadwick ei olnud rahul selgitusega, et kiirgus oli tehtud suure energiaga footonitest, dubleeris see katset ja jõudis järeldusele, et kiirgus pidi koosnema rasketest osakestest, millel ei ole laengut. Teisi materjale, sealhulgas heeliumi, lämmastikku ja liitiumi pommitades suutis Chadwick kindlaks teha, et iga osakese mass oli pisut suurem kui prootonil.
Chadwick avaldas oma raamatu “Neutrooni olemasolu” 1932. aasta mais. 1934. aastaks olid teised teadlased kindlaks teinud, et neutron oli tegelikult algosake, mitte prootonite ja elektronide kombinatsioon.
Chadwicki aatomiteooria tähtsus
Kaasaegne aatomi kontseptsioon säilitab enamiku Rutherfordi loodud planeedimudeli omadustest, kuid Chadwicki ja Taani füüsiku Neils Bohri sisse viidud oluliste modifikatsioonidega.
See oli Bohr, kes lülitas diskreetsete orbiitide mõiste, millesse elektronid piirdusid. Ta tugines kvantprintsiipidele, mis olid toona uued, kuid mis on kujunenud teadusliku reaalsusena. Bohri mudeli kohaselt hõivavad elektronid diskreetseid orbiite ja teisele orbiidile liikudes ei kiirga ega absorbeeri nad mitte pidevas koguses, vaid energiakimpudena, mida nimetatakse kvantideks.
Koos Bohri ja Chadwicki loominguga näeb tänapäevane pilt aatomist välja järgmine: suurem osa aatomist on tühi ruum. Negatiivselt laetud elektronid tiirlevad prootonitest ja neutronitest koosnevas väikeses, kuid raskes tuumas. Kuna kvantteooria, mis põhineb määramatuse põhimõttel, peab elektrone nii laineteks kui ka osakesteks, ei saa nad kindlalt paikneda. Võib rääkida ainult elektroni konkreetses asendis olemise tõenäosusest, seega moodustavad elektronid tuuma ümber tõenäosuspilve.
Tuuma neutronite arv on tavaliselt sama kui prootonite arv, kuid see võib olla erinev. Elemendi aatomeid, millel on erinev arv neutroneid, nimetatakse selle elemendi isotoopideks. Enamikul elementidel on üks või mitu isotoopi ja mõnel on mitu. Näiteks tinal on 10 stabiilset isotoopi ja vähemalt kaks korda rohkem ebastabiilset isotoopi, mis annab keskmise aatommassi, mis on kaks korda suurem kui tema aatomiarv. Kui James Chadwicks ei oleks neutroni avastanud, oleks isotoopide olemasolu võimatu selgitada.
James Chadwicksi kaastöö aatomipommile
Chadwicksi neutroni avastamine viis otseselt aatomipommi väljatöötamiseni. Kuna neutronitel pole laengut, võivad nad tungida märksa aatomituumadesse sügavamale kui prootonid. Aatomituumade neutronpommitamine sai oluliseks meetodiks tuumade omaduste kohta teabe saamiseks.
Teadlastel ei kulunud aga kaua aega, kuni nad avastasid, et ülikerge uraani-235 pommitamine neutronitega oli viis tuumade eraldamiseks ja tohutu energia eraldamiseks. Uraani lõhustumisel tekivad rohkem kõrge energiaga neutroneid, mis lõhustavad muud uraani aatomid ja tulemuseks on kontrollimatu ahelreaktsioon. Kui see oli teada, oli vaja vaid välja töötada viis, kuidas lõhustuvat reaktsiooni nõudmisel käivitada tarnitavas korpuses. Hiroshima ja Nagasaki hävitanud pommid Fat Man ja Little Boy olid Manhattani projekti nime all tuntud salajase sõja püüdluse tulemus, mis viidi läbi just selleks.
Neutronid, radioaktiivsus ja muud
Chadwicki aatomiteooria võimaldab mõista ka radioaktiivsust. Mõned looduslikult esinevad mineraalid - nagu ka inimtegevusest tulenevad - kiirgavad spontaanselt kiirgust ning selle põhjus on tuumas leiduvate prootonite ja neutronite suhteline arv. Tuum on kõige stabiilsem, kui sellel on võrdne arv, ja see muutub ebastabiilseks, kui sellel on rohkem kui üks. Püüdes stabiilsust taastada, viskab ebastabiilne tuum energiat alfa-, beeta- või gammakiirguse kujul. Alfakiirgus koosneb rasketest osakestest, millest igaüks koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Beetakiirgus koosneb elektronidest ja footonite gammakiirgusest.
Tuumade ja radioaktiivsuse uurimise osana lahutasid teadlased veel prootoneid ja neutroneid, et leida, et nad koosnevad ise väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks. Jõudu, mis hoiab tuumas koos prootoneid ja neutroneid, nimetatakse tugevaks jõuks ja seda, mis kvarke koos hoiab, nimetatakse värvijõuks. Tugev jõud on värvijõu kõrvalprodukt, mis ise sõltub glüonide vahetusest, mis on veel üks elementaarsete osakeste tüüp.
James Chadwicki aatomimudeli abil võimalik mõistmine on viinud maailma tuumaajastusse, kuid uks palju salapärasema ja keerukama maailma juurde on avatud. Näiteks võivad teadlased ühel päeval tõestada, et kogu universum, kaasa arvatud aatomituumad ja kvargid, millest need on tehtud, koosneb lõpmatul hulgal vibreerivast energiast. Ükskõik, mida nad avastavad, teevad nad seda seistes pioneeride õlgadel nagu Chadwick.