Inhoud
- Hoe heeft Chadwick de neutron ontdekt?
- Het belang van de atoomtheorie van Chadwick
- James Chadwicks Bijdrage aan de Atoombom
- Neutronen, radioactiviteit en meer
Wetenschappers zien tegenwoordig atomen als samengesteld uit kleine, zware, positief geladen kernen omringd door wolken van extreem lichte, negatief geladen elektronen. Dit model dateert uit de jaren 1920, maar het heeft zijn oorsprong in het oude Griekenland. De filosoof Democritus stelde het bestaan van atomen voor rond 400 voor Christus. Niemand nam het idee met enige ijver op totdat de Engelse natuurkundige John Dalton zijn atoomtheorie in de vroege jaren 1800 introduceerde. Het Daltons-model was onvolledig, maar het bleef vrijwel onveranderd gedurende het grootste deel van de 19e eeuw.
Een vlaag van onderzoek naar het atoommodel vond plaats aan het einde van de 19e en ver in de 20e eeuw, met als hoogtepunt het Schrodinger-model van het atoom, dat bekend staat als het wolkenmodel. Kort nadat natuurkundige Erwin Schrodinger het in 1926 introduceerde, voegde James Chadwick - een andere Engelse natuurkundige - een cruciaal stuk aan de foto toe. Chadwick is verantwoordelijk voor het ontdekken van het bestaan van het neutron, het neutrale deeltje dat de kern deelt met het positief geladen proton.
De ontdekking van Chadwicks dwong een herziening van het cloud-model, en wetenschappers verwijzen soms naar de herziene versie als het atomaire model James Chadwick. De ontdekking leverde Chadwick de Nobelprijs voor natuurkunde van 1935 op, en het maakte de ontwikkeling van de atoombom mogelijk. Chadwick nam deel aan het supergeheime Manhattan-project, dat culmineerde in de inzet van nucleaire bommen op Hiroshima en Nagasaki. De bom droeg bij aan de overgave van Japan (veel historici denken dat Japan zich toch zou hebben overgegeven) en het einde van de Tweede Wereldoorlog. Chadwick stierf in 1974.
Hoe heeft Chadwick de neutron ontdekt?
J.J. Thompson ontdekte het elektron met behulp van kathodestraalbuizen in de jaren 1890, en de Britse fysicus Ernest Rutherford, de zogenaamde vader van nucleaire fysica, ontdekte het proton in 1919. Rutherford speculeerde dat elektronen en protonen konden combineren om een neutraal deeltje te produceren met ongeveer dezelfde massa als een proton, en wetenschappers geloofden dat een dergelijk deeltje om verschillende redenen bestond. Het was bijvoorbeeld bekend dat de heliumkern een atoomnummer van 2 maar een massagetal van 4 heeft, wat betekende dat het een soort neutrale mysteriemassa bevatte. Niemand had echter ooit een neutron waargenomen of bewezen dat het bestond.
Chadwick was vooral geïnteresseerd in een experiment uitgevoerd door Frédéric en Irène Joliot-Curie, die een monster van beryllium met alfa-straling hadden gebombardeerd. Ze merkten op dat het bombardement een onbekende straling produceerde en toen ze het toestonden een monster paraffine te raken, zagen ze dat hoogenergetische protonen uit het materiaal werden geslingerd.
Niet tevreden met de verklaring dat de straling was gemaakt van hoogenergetische fotonen, dupliceerde Chadwick het experiment en concludeerde dat de straling uit zware deeltjes moest bestaan zonder lading. Door andere materialen te bombarderen, waaronder helium, stikstof en lithium, kon Chadwick bepalen dat de massa van elk deeltje iets meer was dan die van een proton.
Chadwick publiceerde zijn paper 'The Existence of a Neutron' in mei 1932. Tegen 1934 hadden andere onderzoekers vastgesteld dat het neutron in feite een elementair deeltje was en geen combinatie van protonen en elektronen.
Het belang van de atoomtheorie van Chadwick
De moderne opvatting van het atoom behoudt de meeste kenmerken van het planetaire model dat is opgesteld door Rutherford, maar met belangrijke wijzigingen die zijn geïntroduceerd door Chadwick en de Deense fysicus Neils Bohr.
Het was Bohr die het concept van discrete banen opnam, waartoe elektronen beperkt waren. Hij baseerde dit op kwantumprincipes die destijds nieuw waren maar die als wetenschappelijke realiteit zijn ingeburgerd. Volgens het Bohr-model bezetten elektronen afzonderlijke banen en wanneer ze naar een andere baan bewegen, emitteren of absorberen ze niet in continue hoeveelheden, maar in energiebundels, quanta genoemd.
Met het werk van Bohr en Chadwick ziet het moderne beeld van het atoom er zo uit: het grootste deel van het atoom is lege ruimte. Negatief geladen elektronen draaien rond een kleine maar zware kern die bestaat uit protonen en neutronen. Omdat de kwantumtheorie, die is gebaseerd op het onzekerheidsprincipe, elektronen zowel als golven als deeltjes beschouwt, kunnen ze niet definitief worden gelokaliseerd. Je kunt alleen praten over de kans dat een elektron zich in een bepaalde positie bevindt, dus de elektronen vormen een kanswolk rond de kern.
Het aantal neutronen in de kern is meestal hetzelfde als het aantal protonen, maar het kan anders zijn. Atomen van een element met een ander aantal neutronen worden isotopen van dat element genoemd. De meeste elementen hebben een of meer isotopen, en sommige hebben meerdere. Tin heeft bijvoorbeeld 10 stabiele isotopen en minstens twee keer zoveel onstabiele, waardoor het een gemiddelde atoommassa heeft die aanzienlijk verschilt van het dubbele van het atoomnummer. Als de ontdekking van het neutron door James Chadwicks nooit had plaatsgevonden, zou het bestaan van isotopen onmogelijk kunnen worden verklaard.
James Chadwicks Bijdrage aan de Atoombom
Chadwicks ontdekking van het neutron leidde direct tot de ontwikkeling van de atoombom. Omdat neutronen geen lading hebben, kunnen ze dieper in de kernen van doelatomen doordringen dan protonen. Neutronenbombardement van atoomkernen werd een belangrijke methode om informatie te verkrijgen over de eigenschappen van kernen.
Het duurde echter niet lang voordat wetenschappers ontdekten dat het bombarderen van superzwaar Uranium-235 met neutronen een manier was om de kernen uit elkaar te halen en een enorme hoeveelheid energie vrij te maken. De splijting van uranium produceert meer hoogenergetische neutronen die andere uraniumatomen afbreken, en het resultaat is een oncontroleerbare kettingreactie. Toen dit eenmaal bekend was, was het slechts een kwestie van het ontwikkelen van een manier om de splijtingsreactie op aanvraag in een leverbare behuizing te initiëren. Fat Man en Little Boy, de bommen die Hiroshima en Nagasaki hebben vernietigd, waren het resultaat van de geheime oorlogsinspanning die bekend staat als het Manhattan Project en die daarvoor werd uitgevoerd.
Neutronen, radioactiviteit en meer
De Chadwick Atomic Theory maakt het ook mogelijk om radioactiviteit te begrijpen. Sommige van nature voorkomende mineralen - evenals door de mens veroorzaakte - zenden spontaan straling uit, en de reden heeft te maken met het relatieve aantal protonen en neutronen in de kern. Een kern is het meest stabiel wanneer hij een gelijk aantal heeft en wordt onstabiel wanneer hij meer van de een heeft dan de ander. In een poging om stabiliteit te herwinnen, werpt een onstabiele kern energie af in de vorm van alfa-, bèta- of gammastraling. Alfastraling bestaat uit zware deeltjes, elk bestaande uit twee protonen en twee neutronen. Bètastraling bestaat uit elektronen en gammastraling van fotonen.
Als onderdeel van de studie van kernen en radioactiviteit hebben wetenschappers protonen en neutronen verder ontleed om te ontdekken dat ze zelf zijn samengesteld uit kleinere deeltjes die quarks worden genoemd. De kracht die protonen en neutronen bij elkaar houdt in de kern wordt de sterke kracht genoemd, en degene die quarks bij elkaar houdt staat bekend als de kleurkracht. De sterke kracht is een bijproduct van de kleurkracht, die zelf afhankelijk is van de uitwisseling van gluonen, die nog een ander type elementair deeltje zijn.
Het begrip mogelijk gemaakt door het atomaire model van James Chadwick heeft de wereld in het nucleaire tijdperk gebracht, maar de deur naar een veel mysterieuzere en ingewikkelder wereld staat wijd open. Wetenschappers kunnen bijvoorbeeld op een dag bewijzen dat het hele universum, inclusief atoomkernen en de quarks waaruit ze zijn gemaakt, is samengesteld uit uiterst kleine reeksen vibrerende energie. Wat ze ook ontdekken, ze doen het op de schouders van pioniers als Chadwick.