NộI Dung
- Chadwick đã khám phá neutron như thế nào?
- Tầm quan trọng của lý thuyết nguyên tử Chadwick
- James Chadwicks Đóng góp cho Bom nguyên tử
- Neutron, phóng xạ và xa hơn
Các nhà khoa học ngày nay hình dung các nguyên tử được cấu tạo từ các hạt nhân nhỏ, nặng, tích điện dương được bao quanh bởi các đám mây của các electron tích điện cực nhẹ, cực nhẹ. Mô hình này có từ những năm 1920, nhưng nó có nguồn gốc từ Hy Lạp cổ đại. Nhà triết học Democritus đã đề xuất sự tồn tại của các nguyên tử vào khoảng 400 B.C. Không ai thực sự lên ý tưởng với bất kỳ sự nhiệt thành nào cho đến khi nhà vật lý người Anh John Dalton giới thiệu lý thuyết nguyên tử của ông vào đầu những năm 1800. Mô hình Daltons không đầy đủ, nhưng về cơ bản nó vẫn không thay đổi trong suốt phần lớn thế kỷ 19.
Một loạt các nghiên cứu về mô hình nguyên tử xảy ra vào cuối thế kỷ 19 và đến thế kỷ 20, đỉnh cao là mô hình Schrodinger của nguyên tử, được gọi là mô hình đám mây. Ngay sau khi nhà vật lý Erwin Schrodinger giới thiệu nó vào năm 1926, James Chadwick - một nhà vật lý người Anh khác - đã thêm một phần quan trọng vào bức tranh. Chadwick chịu trách nhiệm khám phá sự tồn tại của neutron, hạt trung tính có chung hạt nhân với proton tích điện dương.
Phát hiện của Chadwicks buộc phải sửa đổi mô hình đám mây và đôi khi các nhà khoa học gọi phiên bản sửa đổi là mô hình nguyên tử James Chadwick. Phát hiện này đã mang lại cho Chadwick giải thưởng Nobel vật lý năm 1935 và có thể phát triển bom nguyên tử. Chadwick đã tham gia vào dự án Manhattan siêu bí mật, mà đỉnh cao là việc triển khai bom hạt nhân ở Hiroshima và Nagasaki. Bom đã góp phần đầu hàng Nhật Bản (nhiều nhà sử học tin rằng Nhật Bản dù sao cũng đã đầu hàng) và kết thúc Thế chiến II. Chadwick mất năm 1974.
Chadwick đã khám phá neutron như thế nào?
J.J. Thompson đã phát hiện ra electron sử dụng các ống tia catốt vào những năm 1890 và nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford, người được gọi là cha đẻ của vật lý hạt nhân, đã phát hiện ra proton vào năm 1919. Rutherford suy đoán rằng các electron và proton có thể kết hợp để tạo ra một hạt trung tính gần giống nhau khối lượng như một proton và các nhà khoa học tin rằng một hạt như vậy tồn tại vì nhiều lý do. Ví dụ, người ta đã biết rằng hạt nhân helium có số nguyên tử là 2 nhưng số khối là 4, có nghĩa là nó chứa một loại khối lượng bí ẩn trung tính. Không ai từng quan sát neutron hoặc chứng minh rằng nó tồn tại, mặc dù.
Chadwick đặc biệt thích thú với một thí nghiệm được tiến hành bởi Frédéric và Irène Joliot-Curie, người đã bắn phá một mẫu beryllium bằng bức xạ alpha. Họ lưu ý rằng vụ bắn phá tạo ra một bức xạ không xác định và khi họ cho phép nó tấn công một mẫu sáp parafin, họ quan sát thấy các proton năng lượng cao được ném ra từ vật liệu.
Không hài lòng với lời giải thích rằng bức xạ được tạo ra từ các photon năng lượng cao, Chadwick đã nhân đôi thí nghiệm và kết luận rằng bức xạ phải bao gồm các hạt nặng không có điện tích. Bằng cách bắn phá các vật liệu khác, bao gồm heli, nitơ và lithium, Chadwick đã có thể xác định rằng khối lượng của mỗi hạt lớn hơn một chút so với proton.
Chadwick đã xuất bản bài báo của mình về sự tồn tại của neutron vào tháng 5 năm 1932. Đến năm 1934, các nhà nghiên cứu khác đã xác định rằng neutron thực tế là một hạt cơ bản chứ không phải là sự kết hợp giữa proton và electron.
Tầm quan trọng của lý thuyết nguyên tử Chadwick
Quan niệm hiện đại về nguyên tử giữ lại hầu hết các đặc điểm của mô hình hành tinh được thành lập bởi Rutherford, nhưng với những sửa đổi quan trọng được giới thiệu bởi Chadwick và nhà vật lý người Đan Mạch Neils Bohr.
Chính Bohr đã kết hợp khái niệm các quỹ đạo rời rạc mà các electron bị giới hạn. Ông dựa trên những nguyên tắc lượng tử mới ở thời điểm đó nhưng đã được thiết lập như một thực tế khoa học. Theo mô hình Bohr, các electron chiếm các quỹ đạo rời rạc và khi chúng chuyển sang quỹ đạo khác, chúng phát ra hoặc hấp thụ không phải với số lượng liên tục, mà trong các bó năng lượng, được gọi là lượng tử.
Kết hợp công việc của Bohr và Chadwick, bức tranh hiện đại về nguyên tử trông như thế này: Hầu hết các nguyên tử là không gian trống. Các electron tích điện âm quay quanh một hạt nhân nhỏ nhưng nặng bao gồm các proton và neutron. Bởi vì lý thuyết lượng tử, dựa trên nguyên lý bất định, coi các electron là cả sóng và hạt, chúng không thể được định vị một cách dứt khoát. Bạn chỉ có thể nói về khả năng của một electron ở một vị trí cụ thể, vì vậy các electron tạo thành một đám mây xác suất xung quanh hạt nhân.
Số lượng neutron trong hạt nhân thường giống với số lượng proton, nhưng nó có thể khác nhau. Các nguyên tử của một nguyên tố có số nơtron khác nhau được gọi là đồng vị của nguyên tố đó. Hầu hết các nguyên tố có một hoặc nhiều đồng vị, và một số có một số. Tin, chẳng hạn, có 10 đồng vị ổn định và ít nhất gấp đôi số lượng không ổn định, tạo cho nó một khối lượng nguyên tử trung bình khác biệt đáng kể so với hai lần số nguyên tử của nó. Nếu James Chadwicks phát hiện ra neutron chưa bao giờ xảy ra, sẽ không thể giải thích được sự tồn tại của các đồng vị.
James Chadwicks Đóng góp cho Bom nguyên tử
Phát hiện của Chadwicks về neutron đã dẫn trực tiếp đến sự phát triển của bom nguyên tử. Vì neutron không có điện tích, chúng có thể xâm nhập sâu hơn vào hạt nhân của các nguyên tử mục tiêu hơn là các proton. Sự bắn phá neutron của hạt nhân nguyên tử trở thành một phương pháp quan trọng để có được thông tin về các đặc tính của hạt nhân.
Tuy nhiên, các nhà khoa học không mất nhiều thời gian để khám phá ra rằng ném bom Uranium-235 siêu nặng bằng neutron là một cách để phá vỡ các hạt nhân và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Sự phân hạch của urani tạo ra nhiều neutron năng lượng cao phá vỡ các nguyên tử urani khác và kết quả là một phản ứng dây chuyền không thể kiểm soát. Một khi điều này đã được biết, đó chỉ là vấn đề phát triển một cách để bắt đầu phản ứng phân hạch theo yêu cầu trong một vỏ bọc có thể giao được. Fat Man và Little Boy, những quả bom đã phá hủy Hiroshima và Nagasaki, là kết quả của nỗ lực chiến tranh bí mật được gọi là Dự án Manhattan được thực hiện để làm việc đó.
Neutron, phóng xạ và xa hơn
Lý thuyết nguyên tử Chadwick cũng làm cho nó có thể hiểu được phóng xạ. Một số khoáng chất xuất hiện tự nhiên - cũng như các khoáng chất nhân tạo - tự phát ra bức xạ, và lý do phải làm với số lượng tương đối của các proton và neutron trong hạt nhân. Một hạt nhân ổn định nhất khi nó có số lượng bằng nhau, và nó trở nên không ổn định khi nó có nhiều hơn một số khác. Trong nỗ lực lấy lại sự ổn định, một hạt nhân không ổn định sẽ loại bỏ năng lượng dưới dạng bức xạ alpha, beta hoặc gamma. Bức xạ alpha bao gồm các hạt nặng, mỗi hạt gồm hai proton và hai neutron. Bức xạ beta bao gồm các electron và bức xạ gamma của photon.
Là một phần của nghiên cứu về hạt nhân và phóng xạ, các nhà khoa học đã mổ xẻ thêm các proton và neutron để thấy rằng bản thân chúng bao gồm các hạt nhỏ hơn gọi là hạt quark. Lực giữ các proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân được gọi là lực mạnh và lực giữ các quark lại với nhau được gọi là lực màu. Lực mạnh là sản phẩm phụ của lực màu, bản thân nó phụ thuộc vào sự trao đổi của gluon, một loại hạt cơ bản khác.
Sự hiểu biết được thực hiện bởi mô hình nguyên tử James Chadwick đã đưa thế giới vào thời đại hạt nhân, nhưng cánh cửa đến một thế giới bí ẩn và phức tạp hơn rất nhiều. Ví dụ, một ngày nào đó các nhà khoa học có thể chứng minh rằng toàn bộ vũ trụ, bao gồm hạt nhân nguyên tử và các quark mà chúng được tạo ra, bao gồm các chuỗi năng lượng rung động vô hạn. Bất cứ điều gì họ khám phá, họ sẽ làm điều đó đứng trên vai của những người tiên phong như Chadwick.