Forskare i dag föreställer sig atomer som sammansatta av små, tunga, positivt laddade kärnor omgivna av moln av extremt lätta, negativt laddade elektroner. Denna modell går tillbaka till 1920-talet, men den har sitt ursprung i antikens Grekland. Filosofen Democritus föreslog att det fanns atomer runt 400 f.Kr. Ingen tog riktigt upp idén med någon glöd förrän den engelske fysikern John Dalton introducerade sin atomteori i början av 1800-talet. Daltons modell var ofullständig, men den bestod i princip oförändrad under större delen av 1800-talet.
En uppsjö av forskning om atommodellen inträffade i slutet av 1800-talet och långt in på 1900-talet, som kulminerade i Schrodinger-modellen av atomen, som är känd som molnmodellen. Strax efter att fysikern Erwin Schrodinger introducerade den 1926, lade James Chadwick – en annan engelsk fysiker – till en avgörande del till bilden. Chadwick är ansvarig för att upptäcka existensen av neutronen, den neutrala partikeln som delar kärnan med den positivt laddade protonen.
Chadwicks upptäckt tvingade fram en revidering av molnmodellen, och forskare hänvisar ibland till den reviderade versionen som James Chadwicks atommodell. Upptäckten gav Chadwick 1935 års Nobelpris i fysik, och det möjliggjorde utvecklingen av atombomben. Chadwick deltog i det superhemliga Manhattanprojektet, som kulminerade i utplaceringen av kärnvapenbomber på Hiroshima och Nagasaki. Bomben bidrog till överlämnandet av Japan (många historiker tror att Japan skulle ha kapitulerat ändå) och slutet på andra världskriget. Chadwick dog 1974.
Hur upptäckte Chadwick neutronen?
JJ Thompson upptäckte elektronen med hjälp av katodstrålerör på 1890-talet, och den brittiske fysikern Ernest Rutherford, den så kallade kärnfysikens fader, upptäckte protonen 1919. Rutherford spekulerade i att elektroner och protoner kunde kombineras för att producera en neutral partikel med ungefär samma sak. massa som en proton, och forskare trodde att en sådan partikel fanns av flera skäl. Till exempel var det känt att heliumkärnan har ett atomnummer på 2 men ett masstal på 4, vilket innebar att den innehöll någon slags neutral mysteriemassa. Ingen hade dock någonsin observerat en neutron eller bevisat att den existerade.
Chadwick var särskilt intresserad av ett experiment utfört av Frédéric och Irène Joliot-Curie, som hade bombarderat ett prov av beryllium med alfastrålning. De noterade att bombardementet producerade en okänd strålning, och när de lät den träffa ett prov av paraffinvax, observerade de att högenergiprotoner slungades från materialet.
Missnöjd med förklaringen att strålningen var gjord av högenergifotoner, duplicerade Chadwick experimentet och drog slutsatsen att strålningen måste bestå av tunga partiklar utan laddning . Genom att bombardera andra material, inklusive helium, kväve och litium, kunde Chadwick fastställa att massan av varje partikel var lite mer än en protons.
Chadwick publicerade sin artikel ”The Existence of a Neutron” i maj 1932. År 1934 hade andra forskare fastställt att neutronen i själva verket var en elementarpartikel och inte en kombination av protoner och elektroner.
Vikten av Chadwicks atomteorin
Den moderna uppfattningen om atomen behåller de flesta egenskaperna hos den planetmodell som etablerats av Rutherford, men med viktiga modifieringar introducerad av Chadwick och den danske fysikern Neils Bohr.
Det var Bohr som införlivade begreppet diskreta banor till vilka elektroner var begränsade. Han baserade detta på kvantprinciper som var nya på den tiden men som har blivit etablerade som vetenskapliga realiteter. Enligt Bohr-modellen upptar elektroner diskreta banor, och när de flyttar till en annan bana emitterar eller absorberar de inte i kontinuerliga mängder, utan i energiknippen, kallade kvanta.
Inkorporerar Bohrs och Chadwicks arbete, den moderna bilden av atomen ser ut så här: Det mesta av atomen är tomrum. Negativt laddade elektroner kretsar kring en liten men tung kärna som består av protoner och neutroner. Eftersom kvantteorin, som bygger på osäkerhetsprincipen, betraktar elektroner som både vågor och partiklar, kan de inte definitivt lokaliseras. Man kan bara tala om sannolikheten för att en elektron befinner sig i en viss position, så elektronerna bildar ett sannolikhetsmoln runt kärnan.
Antalet neutroner i kärnan är vanligtvis detsamma som antalet protoner, men det kan vara olika. Atomer av ett grundämne som har ett annat antal neutroner kallas isotoper av det grundämnet. De flesta grundämnen har en eller flera isotoper, och vissa har flera. Tenn, till exempel, har 10 stabila isotoper och minst dubbelt så många instabila, vilket ger det en genomsnittlig atommassa som är väsentligt annorlunda än två gånger dess atomnummer. Om James Chadwicks upptäckt av neutronen aldrig hade inträffat skulle det vara omöjligt att förklara existensen av isotoper.
James Chadwicks bidrag till atombomben
Chadwicks upptäckt av neutronen ledde direkt till utvecklingen av atombomben. Eftersom neutroner inte har någon laddning kan de tränga djupare in i målatomernas kärnor än protoner. Neutronbombardemang av atomkärnor blev en viktig metod för att få information om kärnornas egenskaper.
Det tog dock inte lång tid för forskare att upptäcka att bombardering av supertungt Uranium-235 med neutroner var ett sätt att bryta isär kärnorna och frigöra en enorm mängd energi. Klyvningen av uran producerar fler högenergineutroner som bryter isär andra uranatomer, och resultatet är en okontrollerbar kedjereaktion. När detta väl var känt var det bara en fråga om att utveckla ett sätt att initiera fissionsreaktionen på begäran i ett leveransbart hölje. Fat Man and Little Boy, bomberna som förstörde Hiroshima och Nagasaki, var resultatet av den hemliga krigsansträngning som kallas Manhattan Project som genomfördes för att göra just det.
Neutroner, radioaktivitet och bortom
Chadwicks atomteorin gör det också möjligt att förstå radioaktivitet. Vissa naturligt förekommande mineraler – såväl som konstgjorda – avger spontant strålning, och anledningen har att göra med det relativa antalet protoner och neutroner i kärnan. En kärna är som mest stabil när den har lika många, och den blir instabil när den har mer av en än en annan. I ett försök att återfå stabilitet kastar en instabil kärna av sig energi i form av alfa-, beta- eller gammastrålning. Alfastrålning är sammansatt av tunga partiklar som var och en består av två protoner och två neutroner. Betastrålning består av elektroner och gammastrålning av fotoner.
Som en del av studiet av kärnor och radioaktivitet har forskare dissekerat protoner och neutroner ytterligare för att finna att de själva är sammansatta av mindre partiklar som kallas kvarkar. Kraften som håller ihop protoner och neutroner i kärnan kallas den starka kraften, och den som håller kvarkar tillsammans kallas färgkraften. Den starka kraften är en biprodukt av färgkraften, som i sig beror på utbytet av gluoner, som är ytterligare en typ av elementarpartiklar.
Den förståelse som möjliggörs av James Chadwicks atommodell har fört världen in i kärnkraftsåldern, men dörren till en mycket mer mystisk och invecklad värld är vidöppen. Till exempel kan forskare en dag bevisa att hela universum, inklusive atomkärnor och kvarkarna som de är gjorda av, är sammansatt av oändligt små strängar av vibrerande energi. Vad de än upptäcker kommer de att göra det stående på axlarna av pionjärer som Chadwick.
