Inhalt
- Wie hat Chadwick das Neutron entdeckt?
- Die Bedeutung der Chadwick-Atomtheorie
- James Chadwicks Beitrag zur Atombombe
- Neutronen, Radioaktivität und darüber hinaus
Wissenschaftler stellen sich heute Atome vor, die aus winzigen, schweren, positiv geladenen Kernen bestehen, die von Wolken extrem leichter, negativ geladener Elektronen umgeben sind. Dieses Modell stammt aus den 1920er Jahren, hat aber seinen Ursprung im antiken Griechenland. Der Philosoph Demokrit schlug die Existenz von Atomen um 400 v. Chr. Vor. Niemand nahm die Idee wirklich mit Leidenschaft auf, bis der englische Physiker John Dalton seine Atomtheorie im frühen 19. Jahrhundert einführte. Das Daltons-Modell war unvollständig, blieb aber im 19. Jahrhundert im Wesentlichen unverändert.
Eine Fülle von Forschungen zum Atommodell fand Ende des 19. und bis weit in das 20. Jahrhundert hinein statt und mündete in das Schrödinger-Modell des Atoms, das als Wolkenmodell bekannt ist. Kurz nachdem der Physiker Erwin Schrödinger es 1926 eingeführt hatte, fügte James Chadwick - ein weiterer englischer Physiker - dem Bild ein entscheidendes Stück hinzu. Chadwick ist verantwortlich für die Entdeckung des Neutrons, des neutralen Teilchens, das den Kern mit dem positiv geladenen Proton teilt.
Chadwicks Entdeckung erzwang eine Überarbeitung des Wolkenmodells, und Wissenschaftler bezeichnen die überarbeitete Version manchmal als das James-Chadwick-Atommodell. Die Entdeckung brachte Chadwick 1935 den Nobelpreis für Physik ein und ermöglichte die Entwicklung der Atombombe. Chadwick nahm an dem geheimen Manhattan-Projekt teil, das zum Einsatz von Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki führte. Die Bombe trug zur Kapitulation Japans (viele Historiker glauben, Japan hätte sich ohnehin ergeben) und zum Ende des Zweiten Weltkriegs bei. Chadwick starb 1974.
Wie hat Chadwick das Neutron entdeckt?
J.J. Thompson entdeckte das Elektron in den 1890er Jahren mit Kathodenstrahlröhren, und der britische Physiker Ernest Rutherford, der sogenannte Vater der Kernphysik, entdeckte 1919 das Proton. Rutherford spekulierte, dass sich Elektronen und Protonen zu einem neutralen Teilchen mit ungefähr demselben verbinden könnten Masse als Proton, und Wissenschaftler glaubten, dass ein solches Teilchen aus mehreren Gründen existierte. Zum Beispiel war bekannt, dass der Heliumkern eine Ordnungszahl von 2, aber eine Massenzahl von 4 hat, was bedeutete, dass er eine Art neutrale Mysterienmasse enthielt. Niemand hatte jemals ein Neutron beobachtet oder bewiesen, dass es existierte.
Chadwick war besonders interessiert an einem Experiment von Frédéric und Irène Joliot-Curie, die eine Berylliumprobe mit Alphastrahlung bombardiert hatten. Sie stellten fest, dass der Beschuss eine unbekannte Strahlung erzeugte, und als sie es erlaubten, eine Probe von Paraffinwachs zu treffen, beobachteten sie hochenergetische Protonen, die aus dem Material geschleudert wurden.
Unzufrieden mit der Erklärung, dass die Strahlung aus hochenergetischen Photonen bestand, duplizierte Chadwick das Experiment und kam zu dem Schluss, dass die Strahlung aus schweren Partikeln ohne Ladung bestehen musste. Durch Beschuss anderer Materialien, einschließlich Helium, Stickstoff und Lithium, konnte Chadwick feststellen, dass die Masse jedes Partikels etwas höher war als die eines Protons.
Chadwick veröffentlichte im Mai 1932 seine Arbeit „The Existence of a Neutron“. Bis 1934 hatten andere Forscher festgestellt, dass das Neutron tatsächlich ein Elementarteilchen und keine Kombination von Protonen und Elektronen ist.
Die Bedeutung der Chadwick-Atomtheorie
Die moderne Konzeption des Atoms behält die meisten Eigenschaften des von Rutherford entwickelten Planetenmodells bei, jedoch mit wichtigen Modifikationen, die von Chadwick und dem dänischen Physiker Neils Bohr eingeführt wurden.
Es war Bohr, der das Konzept der diskreten Bahnen einbezog, auf die Elektronen beschränkt waren. Er stützte sich dabei auf damals neue Quantenprinzipien, die sich als wissenschaftliche Realität etabliert haben. Nach dem Bohr-Modell besetzen Elektronen diskrete Umlaufbahnen, und wenn sie sich in eine andere Umlaufbahn bewegen, emittieren oder absorbieren sie nicht in kontinuierlichen Mengen, sondern in Energiebündeln, die Quanten genannt werden.
Unter Einbeziehung der Arbeiten von Bohr und Chadwick sieht das moderne Bild des Atoms folgendermaßen aus: Der größte Teil des Atoms ist ein leerer Raum. Negativ geladene Elektronen umkreisen einen kleinen, aber schweren Kern aus Protonen und Neutronen. Da in der Quantentheorie, die auf dem Ungewissheitsprinzip basiert, Elektronen sowohl als Wellen als auch als Teilchen betrachtet werden, können sie nicht eindeutig lokalisiert werden. Man kann nur über die Wahrscheinlichkeit sprechen, dass sich ein Elektron an einer bestimmten Position befindet, also bilden die Elektronen eine Wahrscheinlichkeitswolke um den Kern.
Die Anzahl der Neutronen im Kern ist normalerweise die gleiche wie die Anzahl der Protonen, sie kann jedoch unterschiedlich sein. Atome eines Elements mit einer anderen Anzahl von Neutronen werden als Isotope dieses Elements bezeichnet. Die meisten Elemente haben ein oder mehrere Isotope und einige haben mehrere. Zinn hat zum Beispiel 10 stabile Isotope und mindestens doppelt so viele instabile Isotope, was ihm eine durchschnittliche Atommasse verleiht, die sich erheblich von der doppelten Atomzahl unterscheidet. Wenn James Chadwicks Entdeckung des Neutrons niemals stattgefunden hätte, wäre es unmöglich, die Existenz von Isotopen zu erklären.
James Chadwicks Beitrag zur Atombombe
Chadwicks Entdeckung des Neutrons führte direkt zur Entwicklung der Atombombe. Da Neutronen keine Ladung haben, können sie tiefer in die Kerne der Zielatome eindringen als Protonen. Der Beschuss von Atomkernen mit Neutronen wurde zu einer wichtigen Methode, um Informationen über die Eigenschaften von Atomkernen zu erhalten.
Es dauerte nicht lange, bis Wissenschaftler herausfanden, dass der Beschuss von superschwerem Uran-235 mit Neutronen ein Weg war, die Kerne aufzubrechen und eine enorme Energiemenge freizusetzen. Durch die Spaltung von Uran entstehen mehr energiereiche Neutronen, die andere Uranatome spalten. Das Ergebnis ist eine unkontrollierbare Kettenreaktion. Sobald dies bekannt war, galt es nur, einen Weg zu entwickeln, um die Spaltungsreaktion bei Bedarf in einer lieferbaren Hülle auszulösen. Fat Man und Little Boy, die Bomben, die Hiroshima und Nagasaki zerstörten, waren das Ergebnis der geheimen Kriegsanstrengungen, die als Manhattan-Projekt bekannt waren und genau dafür durchgeführt wurden.
Neutronen, Radioaktivität und darüber hinaus
Die Chadwick Atomic Theory ermöglicht es auch, Radioaktivität zu verstehen. Einige natürlich vorkommende Mineralien - wie auch vom Menschen hergestellte - senden spontan Strahlung aus, und der Grund hängt mit der relativen Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern zusammen. Ein Kern ist am stabilsten, wenn er die gleiche Anzahl hat, und er wird instabil, wenn er mehr als einen hat. Um die Stabilität wiederzugewinnen, wirft ein instabiler Kern Energie in Form von Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung ab. Alpha-Strahlung besteht aus schweren Teilchen, die jeweils aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Betastrahlung besteht aus Elektronen und Gammastrahlung von Photonen.
Im Rahmen der Untersuchung von Kernen und Radioaktivität haben Wissenschaftler Protonen und Neutronen weiter zerlegt, um herauszufinden, dass sie selbst aus kleineren Teilchen bestehen, die Quarks genannt werden. Die Kraft, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält, wird als starke Kraft bezeichnet, und die Kraft, die Quarks zusammenhält, wird als Farbkraft bezeichnet. Die starke Kraft ist ein Nebenprodukt der Farbkraft, die selbst vom Austausch von Gluonen abhängt, die eine weitere Art von Elementarteilchen sind.
Das Verständnis, das das Atommodell von James Chadwick ermöglichte, hat die Welt in das Atomzeitalter gebracht, aber die Tür zu einer viel mysteriöseren und komplizierteren Welt ist weit offen. Zum Beispiel könnten Wissenschaftler eines Tages beweisen, dass das gesamte Universum, einschließlich der Atomkerne und der Quarks, aus denen sie bestehen, aus unendlich kleinen Reihen vibrierender Energie besteht. Was auch immer sie entdecken, sie tun es auf den Schultern von Pionieren wie Chadwick.