תיאוריית האטום של ג'יימס צ'אדוויק

תוֹכֶן

• כיצד גילה צ'אדוויק את הנייטרון?
• חשיבותה של התיאוריה האטומית של צ'אדוויק
• ג'יימס צ'אדוויקס תרומה לפצצת האטום
• נויטרונים, רדיואקטיביות ומעבר

מדענים רואים כיום כי אטומים מורכבים מגרעינים זעירים, כבדים וטעונים חיובית המוקפים בעננים של אלקטרונים קלים במיוחד וטעונים באופן שלילי. דגם זה עוד משנות העשרים, אך מקורו ביוון העתיקה. הפילוסוף דמוקריטוס הציע קיומם של אטומים בסביבות 400 לפנה"ס. איש לא ממש העלה את הרעיון בלהט כלשהו עד שהפיזיקאי האנגלי ג'ון דלטון הציג את התיאוריה האטומית שלו בראשית שנות ה- 1800. המודל של דלתון לא היה שלם, אך הוא נותר ללא שינוי ברוב המאה ה -19.

מבול של מחקר על המודל האטומי התרחש בסוף המאה ה -19 ובתוך המאה ה -20, והגיע לשיאו במודל שרדינגר של האטום, המכונה מודל הענן. זמן קצר לאחר שהפיזיקאי ארווין שרדינגר הציג אותו בשנת 1926, ג'יימס צ'אדוויק - פיזיקאי אנגלי אחר - הוסיף קטע מכריע לתמונה. צ'אדוויק אחראי על גילוי קיומו של הנויטרון, החלקיק הנייטרלי החולק את הגרעין עם הפרוטון הטעון חיובי.

תגלית צ'אדוויקס אילצה את העדכון של מודל הענן, ומדענים מתייחסים לעתים לגרסה המתוקנת כמודל האטומי של ג'יימס צ'אדוויק. הגילוי זיכה את צ'אדוויק בפרס נובל לפיזיקה משנת 1935, ואיפשר את התפתחות פצצת האטום. צ'אדוויק השתתף בפרויקט מנהטן העל-סודי במנהטן, שהגיע לשיאו בפריסת פצצות גרעין על הירושימה ונגאסאקי. הפצצה תרמה לכניעת יפן (היסטוריונים רבים מאמינים כי יפן הייתה נכנעת בכל מקרה) ולסיום מלחמת העולם השנייה. צ'אדוויק נפטר בשנת 1974.

כיצד גילה צ'אדוויק את הנייטרון?

ג'יי ג'יי. תומפסון גילה את האלקטרון באמצעות צינורות קרני קתודה בשנות ה -90 של המאה ה -19, והפיזיקאי הבריטי ארנסט רות'רפורד, מה שנקרא אבי הפיזיקה הגרעינית, גילה את הפרוטון בשנת 1919. רות'רפורד העלה השערה כי אלקטרונים ופרוטונים יכולים לשלב כדי לייצר חלקיק ניטרלי עם אותו בערך המסה כפרוטון, ומדענים האמינו שחלקיק כזה קיים מכמה סיבות. לדוגמה, היה ידוע שלגרעין ההליום יש מספר אטומי של 2 אך מספר מסה של 4, מה שאומר שהוא מכיל סוג של מסת מסתורין ניטרלית. איש מעולם לא צפה בנויטרון או הוכיח שהוא קיים.

צ'אדוויק התעניין במיוחד בניסוי שערך פרדריק ואירנה ג'וליוט-קארי, שהפציצו מדגם של בריליום בהקרנת אלפא. הם ציינו כי ההפצצה יצרה קרינה לא ידועה, וכאשר אפשרו לה לפגוע במדגם של שעוות פרפין, הם הבחינו בפרוטונים בעלי אנרגיה גבוהה שנזרקו מהחומר.

צ'דוויק, שלא היה מרוצה מההסבר כי הקרינה היה עשוי מפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, הכפיל את הניסוי והסיק כי הקרינה צריכה להיות מורכבת מחלקיקים כבדים ללא מטען. על ידי הפצצת חומרים אחרים, כולל הליום, חנקן וליתיום, הצליח צ'דוויק לקבוע כי המסה של כל חלקיק הייתה מעט יותר מזו של פרוטון.

צ'אדוויק פרסם את מאמרו "קיומו של נויטרון" במאי 1932. עד שנת 1934, חוקרים אחרים קבעו כי הנויטרון הוא למעשה חלקיק יסודי ולא שילוב של פרוטונים ואלקטרונים.

חשיבותה של התיאוריה האטומית של צ'אדוויק

התפיסה המודרנית של האטום שומרת על מרבית המאפיינים של המודל הפלנטרי שהוקם על ידי רתרפורד, אך עם שינויים חשובים שהוצגו על ידי צ'אדוויק והפיזיקאי הדני נילס בוהר.

בוהר היה זה ששילב את הרעיון של מסלול בדידים שאליו היו מוגבלים אלקטרונים. הוא ביסס זאת על עקרונות קוונטיים שהיו חדשים באותה תקופה אך התבססו כמציאות מדעית. על פי מודל בוהר, אלקטרונים תופסים מסלול נפרד, וכשהם עוברים למסלול אחר הם פולטים או סופגים לא בכמויות רצופות, אלא בצרורות אנרגיה, המכונות קוונטה.

שילוב היצירה של בוהר וצ'דוויק, התמונה המודרנית של האטום נראית כך: רוב האטום הוא חלל ריק. אלקטרונים טעונים באופן שלילי מקיפים גרעין קטן אך כבד המורכב מפרוטונים ונויטרונים. מכיוון שתורת הקוונטים, המבוססת על עקרון אי הוודאות, רואה באלקטרונים גם גלים וגם חלקיקים, הם לא יכולים להיות ממוקמים באופן סופי. אתה יכול לדבר רק על הסבירות שהאלקטרון יהיה במצב מסוים, כך שהאלקטרונים יוצרים ענן הסתברות סביב הגרעין.

מספר הנויטרונים בגרעין זהה בדרך כלל למספר הפרוטונים, אך הוא יכול להיות שונה. אטומים של יסוד שיש להם מספר שונה של נויטרונים נקראים איזוטופים של אותו יסוד. לרוב האלמנטים יש איזוטופ אחד או יותר, ולחלקם יש כמה. לפח, למשל, יש 10 איזוטופים יציבים ולפחות פי שניים מהם לא יציבים, מה שמקנה לו מסה אטומית ממוצעת השונה משמעותית מכפליים ממספר האטום. אם גילויו של הנייטרון של ג'יימס צ'אדוויקס מעולם לא היה מתרחש, אי אפשר היה להסביר את קיומם של איזוטופים.

ג'יימס צ'אדוויקס תרומה לפצצת האטום

גילויו של צ'אדוויקס את הנויטרון הוביל ישירות להתפתחות פצצת האטום. מכיוון שלניטרונים אין מטען, הם יכולים לחדור לעומקם יותר לגרעינים של אטומי המטרה מאשר לפרוטונים. הפצצת ניטרונים על גרעינים אטומיים הפכה לשיטה חשובה להשיג מידע על מאפייני הגרעינים.

עם זאת, לא לקח למדענים לגלות, עם זאת, שהפצצת אורניום -235-כבד-סופר עם נויטרונים הייתה דרך לפרק את הגרעינים ולשחרר כמות עצומה של אנרגיה. ביקוע האורניום מייצר יותר נויטרונים בעלי אנרגיה גבוהה המפרקים אטומי אורניום אחרים והתוצאה היא תגובת שרשרת בלתי נשלטת. משנודע הדבר, זה היה רק ​​עניין של פיתוח דרך ליזום את תגובת הביקוע לפי דרישה במארז הניתן למסירה. איש השמן והילד הקטן, הפצצות שהרסו את הירושימה ונגסאקי, היו תוצאה של מאמץ המלחמה הסודי המכונה "פרויקט מנהטן" שנערך לשם כך.

נויטרונים, רדיואקטיביות ומעבר

תיאוריית האטום של צ'אדוויק מאפשרת גם להבין רדיואקטיביות. חלק מהמינרלים המתרחשים באופן טבעי - כמו גם מעשה ידי אדם - פולטים באופן ספונטני קרינה, והסיבה קשורה למספר היחסי של הפרוטונים והנויטרונים בגרעין. גרעין הוא הכי יציב כשיש לו מספר שווה, והוא הופך לא יציב כשיש לו יותר מאחד. במאמץ להשיב יציבות, גרעין לא יציב משליך אנרגיה בצורה של קרינת אלפא, בטא או גמא. קרינת אלפא מורכבת מחלקיקים כבדים, שכל אחד מהם מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים. קרינת בטא מורכבת מאלקטרונים וקרינת גמא של פוטונים.

כחלק ממחקר הגרעינים והרדיואקטיביות, מדענים גזרו עוד יותר פרוטונים ונויטרונים כדי לגלות שהם עצמם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר הנקראים קווארקים. הכוח שמחזיק פרוטונים ונויטרונים יחד בגרעין נקרא הכוח החזק, וזה שמחזיק קווארקים יחד מכונה כוח הצבע. הכוח החזק הוא תוצר לוואי של כוח הצבע, אשר עצמו תלוי בחילופי הגלונים, שהם עוד סוג של חלקיק יסודי.

ההבנה המתאפשרת על ידי המודל האטומי של ג'יימס צ'אדוויק הביאה את העולם לעידן הגרעין, אך הדלת לעולם מסתורי ומסובך בהרבה פתוחה לרווחה. לדוגמא, מדענים עשויים יום אחד להוכיח כי היקום כולו, כולל גרעינים אטומיים והקווארקים שמהם הם עשויים, מורכב ממיתרים אינסופיים של אנרגיה רוטטת. לא משנה מה יגלו, הם יעשו זאת בעמידה על כתפיהם של חלוצים כמו צ'אדוויק.