نظرية جيمس تشادويك الذرية

المحتوى

• كيف اكتشف تشادويك النيوترون؟
• أهمية نظرية تشادويك الذرية
• جيمس تشادوكس مساهمة في القنبلة الذرية
• النيوترونات ، النشاط الإشعاعي وما بعده

يتصور العلماء اليوم أن الذرات تتكون من نوى صغيرة ثقيلة وذات شحنة موجبة تحيط بها غيوم من الإلكترونات خفيفة الوزن للغاية وذات شحنة سالبة. يعود هذا النموذج إلى عشرينيات القرن العشرين ، ولكنه يرجع أصله إلى اليونان القديمة. اقترح الفيلسوف Democritus وجود ذرات حوالي 400 قبل الميلاد. لا أحد فعلاً هذه الفكرة بأي حماسة حتى قدم الفيزيائي الإنجليزي جون دالتون نظريته الذرية في أوائل القرن التاسع عشر. كان نموذج دالتون غير مكتمل ، لكنه لم يتغير بشكل أساسي طوال القرن التاسع عشر.

حدثت سلسلة من الأبحاث حول النموذج الذري في نهاية القرن التاسع عشر وحتى القرن العشرين ، وبلغت ذروتها في نموذج شرودنجر للذرة ، والذي يُعرف باسم النموذج السحابي. بعد وقت قصير من عرضه الفيزيائي إروين شرودنجر في عام 1926 ، أضاف جيمس تشادويك - عالم فيزياء إنجليزي آخر - قطعة مهمة إلى الصورة. تشادويك هو المسؤول عن اكتشاف وجود النيوترون ، وهو الجسيم المحايد الذي يشارك النواة مع البروتون المشحون إيجابياً.

أجبر اكتشاف تشادويك على مراجعة نموذج السحابة ، ويشير العلماء في بعض الأحيان إلى النسخة المنقحة كنموذج جيمس تشادويك الذري. حصل هذا الاكتشاف على تشادويك على جائزة نوبل للفيزياء لعام 1935 ، وأتاح تطوير القنبلة الذرية. شاركت تشادويك في مشروع مانهاتن الفائق السرية ، والذي توجت بنشر القنابل النووية على هيروشيما وناجازاكي. ساهمت القنبلة في استسلام اليابان (يعتقد العديد من المؤرخين أن اليابان كانت ستستسلم على أي حال) ونهاية الحرب العالمية الثانية. توفي تشادويك في عام 1974.

كيف اكتشف تشادويك النيوترون؟

J.J. اكتشف طومسون الإلكترون الذي يستخدم أنابيب أشعة الكاثود في تسعينيات القرن التاسع عشر ، واكتشف الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد ، وهو ما يسمى والد الفيزياء النووية ، البروتون في عام 1919. تكهن رذرفورد بأن الإلكترونات والبروتونات يمكن أن تتحد لإنتاج جسيم محايد مع نفس الشيء تقريبًا. الكتلة كبروتون ، ويعتقد العلماء أن مثل هذه الجسيمات موجودة لعدة أسباب. على سبيل المثال ، كان من المعروف أن نواة الهيليوم لها رقم ذري 2 ولكن عدد كتلها 4 ، مما يعني أنه يحتوي على نوع من كتلة الغموض المحايدة. لم يلاحظ أحد قط وجود نيوترون أو أثبت أنه موجود بالفعل.

كان تشادويك مهتمًا بشكل خاص بتجربة أجراها فريديريك وإيريان جولوت كوري ، الذين قصفوا عينة من البريليوم بإشعاع ألفا. لاحظوا أن القصف أنتج إشعاعًا غير معروف ، وعندما سمحوا له بضرب عينة من شمع البارافين ، لاحظوا بروتونات عالية الطاقة تتدفق من المادة.

غير راضٍ عن التفسير الذي مفاده أن الإشعاع كان مصنوعًا من فوتونات عالية الطاقة ، قام تشادويك بتكرار التجربة وخلص إلى أن الإشعاع يجب أن يتألف من جزيئات ثقيلة بدون شحنة. من خلال قصف المواد الأخرى ، بما في ذلك الهيليوم والنيتروجين والليثيوم ، تمكنت تشادويك من تحديد أن كتلة كل جسيم كانت أكثر بقليل من كتلة البروتون.

نشر تشادويك بحثه "وجود نيوترون" في مايو 1932. بحلول عام 1934 ، قرر باحثون آخرون أن النيوترون كان في الحقيقة جسيمًا أوليًا وليس مزيجًا من البروتونات والإلكترونات.

أهمية نظرية تشادويك الذرية

يحتفظ المفهوم الحديث للذرة بمعظم خصائص النموذج الكوكبي الذي أنشأه راذرفورد ، ولكن مع تعديلات مهمة قدمها تشادويك والفيزيائي الدنماركي نيل بور.

كان بوهر هو الذي أدمج مفهوم المدارات المنفصلة التي كانت الإلكترونات محصورة فيها. لقد اعتمد على هذه المبادئ الكمومية التي كانت جديدة في ذلك الوقت والتي أصبحت راسخة كحقائق علمية. وفقًا لنموذج بوهر ، تشغل الإلكترونات مدارات منفصلة ، وعندما تنتقل إلى مدار آخر ، فإنها تنبعث منها أو تمتصها ليس بكميات مستمرة ، ولكن في حزم من الطاقة تسمى كوانتا.

تتضمن أعمال Bohr و Chadwick ، ​​تبدو الصورة الحديثة للذرة كما يلي: معظم الذرة عبارة عن مساحة فارغة. تدور الإلكترونات سالبة الشحنة في نواة صغيرة ولكنها ثقيلة تتكون من البروتونات والنيوترونات. لأن نظرية الكم ، التي تقوم على مبدأ عدم اليقين ، تعتبر الإلكترونات موجات وجزيئات على حد سواء ، فهي غير قادرة على تحديد موقعها بشكل نهائي. لا يمكنك التحدث إلا عن احتمال وجود إلكترون في موضع معين ، بحيث تشكل الإلكترونات سحابة احتمالية حول النواة.

عادةً ما يكون عدد النيوترونات الموجودة في النواة هو نفس عدد البروتونات ، لكنه قد يكون مختلفًا. تسمى ذرات عنصر يحتوي على عدد مختلف من النيوترونات بنظائر ذلك العنصر. تحتوي معظم العناصر على نظير واحد أو أكثر ، وبعضها يحتوي على نظير واحد. يحتوي القصدير ، على سبيل المثال ، على 10 نظائر مستقرة وعشر نظائر على الأقل غير مستقرة ، مما يعطيها كتلة ذرية متوسطة مختلفة بشكل كبير عن ضعف عددها الذري. إذا لم يكن اكتشاف جيمس تشادويك للنيوترون قد حدث أبداً ، فسيكون من المستحيل شرح وجود النظائر.

جيمس تشادوكس مساهمة في القنبلة الذرية

قاد تشادكس اكتشاف النيوترون مباشرة إلى تطوير القنبلة الذرية. نظرًا لأن النيوترونات ليس لها أي شحنة ، يمكنها اختراق أعمق الذرات المستهدفة أكثر من البروتونات. أصبح القصف النيوتروني للنواة الذرية طريقة مهمة للحصول على معلومات حول خصائص النوى.

لم يستغرق العلماء وقتًا طويلاً لاكتشاف أن قصف اليورانيوم -235 الثقيل بالنيوترونات كان وسيلة لفصل النواة وإطلاق كمية هائلة من الطاقة. ينتج انشطار اليورانيوم المزيد من النيوترونات عالية الطاقة التي تفكك ذرات اليورانيوم الأخرى ، والنتيجة هي سلسلة تفاعل لا يمكن السيطرة عليها. بمجرد معرفة ذلك ، كان الأمر يتعلق فقط بتطوير طريقة لبدء تفاعل الانشطار عند الطلب في غلاف قابل للتسليم. فات مان وليتل بوي ، القنابل التي دمرت هيروشيما وناغازاكي ، كانت نتيجة المجهود الحربي السري المعروف باسم مشروع مانهاتن الذي تم القيام به للقيام بذلك.

النيوترونات ، النشاط الإشعاعي وما بعده

تتيح نظرية تشادويك الذرية أيضًا إمكانية فهم النشاط الإشعاعي. بعض المعادن التي تحدث بشكل طبيعي - وكذلك المعادن التي من صنع الإنسان - تنبعث من الإشعاع بشكل عفوي ، والسبب يتعلق بالعدد النسبي للبروتونات والنيوترونات في النواة. تكون النواة أكثر ثباتًا عندما يكون لها رقم مساوٍ ، وتصبح غير مستقرة عندما تحتوي على أكثر من واحد. في محاولة لاستعادة الاستقرار ، تخلص نواة غير مستقرة من الطاقة في صورة إشعاع ألفا أو بيتا أو جاما. يتكون إشعاع ألفا من جزيئات ثقيلة ، يتكون كل منها من بروتونين ونيوترون. يتكون إشعاع بيتا من الإلكترونات وإشعاع جاما للفوتونات.

كجزء من دراسة النواة والنشاط الإشعاعي ، قام العلماء بتشريح البروتونات والنيوترونات لتكتشف أنها تتكون من جزيئات أصغر تسمى الكواركات. القوة التي تحمل البروتونات والنيوترونات معًا في النواة تسمى القوة القوية ، والقوة التي تربط الكواركات معًا تُعرف باسم القوة اللونية. القوة القوية هي نتيجة ثانوية لقوة اللون ، والتي تعتمد في حد ذاتها على تبادل الغلونات ، والتي تعد نوعًا آخر من الجسيمات الأولية.

إن الفهم الذي جعله نموذج جيمس تشادويك الذري ممكنا قد أوصل العالم إلى العصر النووي ، لكن الباب أمام عالم أكثر غموضا ومعقدة مفتوح على مصراعيه. على سبيل المثال ، قد يثبت العلماء ذات يوم أن الكون بأكمله ، بما في ذلك النوى الذرية والكواركات التي صنعت منها ، يتكون من سلاسل لا متناهية من الطاقة الاهتزازية. كل ما يكتشفونه ، فسوف يفعلون ذلك واقفين على أكتاف رواد مثل تشادويك.