La începutul secolului al XX-lea fizicienii au descoperit trei tipuri de radiatii provenind din atomi, pe care ei le-au numit radiatii alfa, beta si gamma.
Experimentele din 1911 ale lui Lise Meitner si Otto Hahn, precum si cele ale lui James Chadwick din 1914, concluzionau ca interpretarea caracteristicilor spectrale ale dezintegrarii beta ar presupune admiterea neconservarii energiei. Aceasta problema a condus la descoperire 242j91c a, mai târziu, a neutrinului.
În aceeasi perioada, Ernest Rutherford a realizat un experiment remarcabil în care Hans Geiger si Ernest Marsden, sub supravegherea lui Rutherford, au bombardat cu particule alfa (nuclee de heliu) o foita subtire din aur. Modelul "cozonacului cu stafide" al lui J.J. Thomson prezicea ca particulele alfa ar fi trebuit sa iasa din foita de aur pe o traiectorie, eventual, putin curbata. Ei au fost surprinsi sa descopere ca unele particule au fost împrastiate sub unghiuri mari, în câteva cazuri fiind chiar întoarse înapoi.
Descoperirea a condus la modelul Rutherford, în care atomul are un nucleu foarte mic si foarte dens, constituit din particule grele cu sarcina pozitiva si electroni, nucleul fiind înconjurat de alte sarcini negative. De exemplu, în acest model, azotul (14N) consta dintr-un nucleu cu 14 protoni si 7 electroni, iar nucleul era orbitat de alti 7 electroni.
Modelul lui Rutherford a "mers" destul de bine pâna la studiile privind spinul nuclear, efectuate în 1929 de Franco Rasetti la California Institute of Technology.
Înca din 1925 se stia ca protonul si electronul au spini ˝. În modelul Rutherford al atomului de 14N, cei 14 protoni si 6 electroni trebuiau sa formeze perechi unii cu altii, pentru a-si anula reciproc spinul, astfel încât ultimul electron sa confere nucleului un spin ˝.
Rasetti a descoperit ca 14N are spin 1.
În 1930, neputând sa ajunga în orasul german Tübingen, la o întâlnire pe probleme de radioactivitate, Wolfgang Pauli le trimite participantilor o scrisoare prin care sugera posibilitatea ca în nucleu sa existe o a treia particula, pe care el o denumea "neutron", mai usoara decât un electron, fara sarcina electrica si care nu interactioneaza cu substanta (fapt pentru care nici nu fusese înca detectata).
Aceasta solutie disperata a rezolvat ambele probleme: cea a conservarii energiei si aceea a spinului nucleului de 14N; mai întâi deoarece "neutronul" lui Pauli transporta cu el extra-energia dezintegrarii beta si apoi pentru ca prezenta unui "extra-neutron" în nucleul 14N îi conferea acestuia spinul 1.
"Neutronul" lui Pauli a fost redenumit neutrino, de Enrico Fermi, în 1931, dar abia dupa 30 de ani s-a demonstrat, definitiv, ca, într-adevar, neutrino este emis în dezintegrarea beta.
În 1932 Chadwick a realizat ca radiatia pe care o observasera Walther Bothe, Herbert Becker, Irčne si Frédéric Joliot-Curie se datora unei particule masive pe care el a numit-o neutron.
În acelasi an Dmitrij Iwanenko a sugerat ca neutronii sunt particule cu spin ˝, ca nucleul contine neutroni si ca în nucleu nu exista electroni.
La rândul sau Francis Perrin a sugerat ca neutrino nu sunt particule nucleare, dar erau create în timpul dezintegrarii beta.
La sfârsitul anului 1932 Fermi a trimis o teorie a neutrinului revistei Nature, al carui editor a respins-o deoarece era "prea departe de realitate". Fermi a continuat sa lucreze la teoria sa si în 1934 a publicat o lucrare care plasa neutrino pe solide fundamente teoretice.
În acelasi an, Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativa a fortelor nucleare tari pentru a explica mentinerea împreuna a nucleonilor.
Cu lucrarile lui Fermi si Yukawa s-a completat modelul modern al atomului.
Centrul atomului consta dintr-o regiune (sferica) compacta de neutroni si protoni care sunt mentinuti împreuna de catre fortele nucleare tari. Nucleele instabile pot suferi dezintegrari alfa, în care ele emit nuclee energetice de heliu, sau dezintegrari beta, în care ele emit electroni sau pozitroni.
Dupa una dintre aceste dezintegrari, nucleul rezultat poate sa se gaseasca, la rândul sau, într-o stare excitata si, în acest caz, se dezintegreaza si el, catre o stare de baza, emitând fotoni de înalta energie (dezintegrare gamma).
|
