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今日の科学者は、原子が非常に軽量で負に帯電した電子の雲に囲まれた、小さくて重い正に帯電した原子核で構成されていると考えています。このモデルは1920年代にさかのぼりますが、その起源は古代ギリシャにあります。哲学者デモクリトスは、紀元前400年頃の原子の存在を提案しました。英国の物理学者ジョン・ダルトンが1800年代初頭に彼の原子理論を紹介するまで、誰も熱意を持ってこのアイデアを実際に取り上げなかった。ダルトンモデルは不完全でしたが、19世紀のほとんどを通じて基本的に変化しませんでした。
19世紀の終わりから20世紀にかけて原子モデルの研究が急増し、原子のシュレディンガーモデルに至りました。これはクラウドモデルとして知られています。物理学者のアーウィン・シュレディンガーが1926年にそれを紹介した直後、ジェームズ・チャドウィック（もう一人の英国の物理学者）が重要な作品を写真に追加しました。チャドウィックは、正に帯電した陽子と核を共有する中性粒子である中性子の存在を発見する責任があります。
チャドウィックの発見により、クラウドモデルの改訂が強制され、科学者は改訂版をジェームズチャドウィックの原子モデルと呼ぶことがあります。この発見により、チャドウィックは1935年にノーベル物理学賞を受賞し、原子爆弾の開発が可能になりました。チャドウィックは超秘密のマンハッタン計画に参加しました。そして、それは広島と長崎で核爆弾の展開で頂点に達しました。爆弾は、日本の降伏（多くの歴史家は、とにかく日本は降伏すると信じていた）と第二次世界大戦の終結に貢献した。チャドウィックは1974年に亡くなりました。
チャドウィックはどのようにして中性子を発見したのですか？
J.J.トンプソンは1890年代に陰極線管を使用して電子を発見し、イギリスの物理学者アーネストラザフォード、いわゆる核物理学の父は1919年に陽子を発見しました。質量は陽子であり、科学者はそのような粒子がいくつかの理由で存在すると信じていました。たとえば、ヘリウム核の原子番号は2ですが、質量番号は4であることがわかっていました。これは、ヘリウム原子核が何らかの中立のミステリーマスを含んでいることを意味します。ただし、中性子を観測したり、中性子の存在を証明した人はいませんでした。
チャドウィックは、アルファ線でベリリウムのサンプルを砲撃したフレデリックとイレーヌ・ジョリオ=キュリーが行った実験に特に興味がありました。彼らは、衝撃により未知の放射線が発生し、パラフィンワックスのサンプルに衝突させると、材料から放出された高エネルギーの陽子を観察したことに注目しました。
放射線は高エネルギーの光子でできているという説明に満足せず、チャドウィックは実験を繰り返し、放射線は電荷のない重い粒子で構成されていなければならないと結論付けました。チャドウィックは、ヘリウム、窒素、リチウムを含む他の材料に衝撃を与えることにより、各粒子の質量が陽子の質量より少し大きいことを確認することができました。
チャドウィックは彼の論文「中性子の存在」を1932年5月に発表しました。1934年までに、他の研究者は中性子が実際に陽子と電子の組み合わせではなく素粒子であると判断しました。
チャドウィック原子理論の重要性
原子の現代の概念は、ラザフォードによって確立された惑星モデルの特性のほとんどを保持しますが、チャドウィックとデンマークの物理学者ニールスボーアによって導入された重要な修正を伴います。
電子が閉じ込められた離散軌道の概念を取り入れたのはボーアでした。彼は、当時は新しいが科学的現実として確立された量子原理に基づいていた。ボーアモデルによると、電子は離散軌道を占有し、別の軌道に移動すると、連続量ではなく、量子と呼ばれるエネルギーの束で放出または吸収します。
ボーアとチャドウィックの研究を組み込むと、原子の現代の図は次のようになります。原子のほとんどは空の空間です。負に帯電した電子は、陽子と中性子で構成される小さいが重い原子核を周回します。不確実性の原理に基づいた量子理論は、電子を波と粒子の両方と見なしているため、電子を明確に見つけることはできません。電子が特定の位置にある可能性についてのみ話すことができるため、電子は核の周りに確率雲を形成します。
通常、核内の中性子の数は陽子の数と同じですが、異なる場合があります。中性子の数が異なる元素の原子は、その元素の同位体と呼ばれます。ほとんどの元素には1つ以上の同位体があり、いくつかの元素には複数の同位体があります。たとえば、スズには10個の安定同位体と少なくとも2倍の不安定同位体があり、その平均原子質量は原子番号の2倍とは大きく異なります。ジェームズ・チャドウィックによる中性子の発見が一度もなかったなら、同位体の存在を説明することは不可能でしょう。
ジェームズ・チャドウィックの原爆への貢献
チャドウィックの中性子の発見は、原子爆弾の開発に直接つながりました。中性子は電荷を持たないため、陽子よりもターゲット原子の原子核に深く入り込むことができます。原子核の中性子衝撃は、核の特性に関する情報を得るための重要な方法になりました。
しかし、科学者が超重ウラン235を中性子で照射することは、原子核をばらばらにして大量のエネルギーを放出する方法であることを発見するのにそれほど時間はかかりませんでした。ウランの核分裂は、他のウラン原子をばらばらにするより多くの高エネルギー中性子を生成し、その結果、制御不能な連鎖反応が生じます。これがわかった後は、納品可能なケーシング内で要求に応じて核分裂反応を開始する方法を開発するだけでした。広島と長崎を破壊した爆弾であるファットマンとリトルボーイは、まさにそれを行うために行われたマンハッタン計画として知られている秘密の戦争努力の結果でした。
中性子、放射能およびその先
チャドウィック原子理論は、放射能を理解することも可能にします。人工鉱物と同様に一部の自然発生鉱物は自然に放射線を放出しますが、その理由は核内の陽子と中性子の相対的な数に関係しています。核の数が等しい場合、核は最も安定しており、核が他の核よりも多い場合、不安定になります。安定性を取り戻すために、不安定な核はアルファ、ベータまたはガンマ放射線の形でエネルギーを放出します。アルファ線は、それぞれ2つの陽子と2つの中性子で構成される重い粒子で構成されています。ベータ放射は、電子と光子のガンマ放射で構成されています。
原子核と放射能の研究の一環として、科学者はさらに陽子と中性子を分析し、それらがクォークと呼ばれる小さな粒子で構成されていることを発見しました。核内で陽子と中性子を一緒に保持する力は強い力と呼ばれ、クォークを一緒に保持するものは色の力として知られています。強い力は色力の副産物であり、色力自体は、さらに別の種類の素粒子であるグルオンの交換に依存しています。
ジェームズ・チャドウィックの原子モデルによって可能になった理解は、世界を核時代にもたらしましたが、はるかに神秘的で複雑な世界への扉は広く開かれています。たとえば、科学者はいつか、原子核やそれらが作られるクォークを含む宇宙全体が、振動エネルギーの極小のストリングで構成されていることを証明するかもしれません。彼らが発見したものは何でも、彼らはチャドウィックのような先駆者の肩の上に立ってそれをします。