20. stoljeće - Atomska i nuklearna fizika

Istraživanja su tzv. katodnih i kanalnih zraka krajem 19. st. rezultirala 1897. godine otkrićem elektrona, što dugujemo engleskom fizičaru Josephu Johnu Thomsonu (1856. – 1940.). Ono je bilo prva indikacija unutarnje strukture atoma na kojoj se temeljio Thompsonov model atoma aktualan na prijelazu stoljeća. Model je poznat pod nazivom „kolač s grožđicama“ jer se mislilo da je pozitivno nabijena struktura u kojem su negativni elektroni ravnomjerno raspoređeni duž cijele strukture, poput grožđica u kolaču. Američki je fizičar Robert Andrews Milikan (1868. – 1953.) precizno odredio naboj elektrona, odnosno elementarni kvant naboja. Japanski fizičar Hantaro Nagaoka (1865. – 1950.) polazeći od Maxwelove elektrodinamike predlaže model atoma sličan planetnom sustavu u kojem je središnji dio atoma pozitivno nabijen, a elektroni kruže oko središta poput planeta oko Sunca.

Na prijelazu stoljeća otkrivene su i nove vrste zračenja. Godina 1895. je godina senzacionalnoga otkrića x-zračenja njemačkoga fizičara Wilhelma Conrada Röntgena (1845. – 1923.), kojim je 1901. postao prvi Nobelov laureat u povijesti. Radioaktivnost je 1896. godine otkrio francuski fizičar Henry Antoine Becquerel (1852. – 1908.) istražujući luminiscenciju. U početku je mislio da je luminiscencija minerala koje je koristio u pokusima uvjetovana korištenjem svjetlosti koje ih pobuđuje na zračenje, no ubrzo je ustanovio da neki minerali emitiraju zračenje „sami po sebi“, bez prethodnoga izlaganja svjetlosti. Zračenje je nazvano „uranovim“ i „Becquerelovim zrakama“. Ubrzo se u ove pokuse uključuje bračni par Maria Sklodowska Curie (1867. – 1934.) i Pierre Curie (1859. – 1906.). Njima zahvaljujemo naziv ove pojave koji i danas koristimo – radioaktivnost, te otkriće novih kemijskih elemenata radija i polonija. Daljnja su istraživanja otkrila tri različite vrste radioaktivnosti: alfa- beta- i gama-raspad. Otkriveno je i da mnogi drugi kemijski elementi pokazuju svojstvo radioaktivnosti, odnosno imaju radioaktivne izotope. Koncept je izotopa, kao različitoga atoma istoga elementa kojem jezgra ima jednaki naboj, a različitu masu, uveo 1913. godine engleski fizičar i kemičar Frederick Soddy (1877. – 1956.). Pokusi su njemačkih fizičara Lise Meitner (1878. – 1968.) i Otta Hahna (1879. -1968.) 1911. godine te engleskoga fizičara Jamesa Chadwicka (1891. – 1974.) 1914. godine otkrili da je energetski spektar beta-raspada kontinuiran, a ne diskretan, kao što je to spektar alfa- i gama-zračenja. Prema tadašnjim je spoznajama atomske fizike to bilo u neskladu sa zakonom očuvanja energije. Porijeklo radioaktivnosti nije moglo biti rastumačeno dok nije otkrivena struktura atomske jezgre.

Novozelandski fizičar Ernest Rutherford (1871. – 1937.) početkom 20. st. u Manchesteru (Velika Britanija) okuplja plodan tim istraživača, među kojima su Hans Geiger (1882. – 1945.) i Ernest Marsden (1889. – 1970.), George Hevesy (1885. – 1966.), Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887. – 1915.), a nekoliko je godina dio tima bio i Niels Bohr (1885. – 1962.). U tom je periodu došlo do mnogih otkrića, a najznačajnija su otkriće prirode alfa-čestica te otkriće atomske jezgre.

Ključni se pokus za to otkriće dogodio 1909. godine kada su znanstvenici vrlo tanku zlatnu foliju izložili djelovanju alfa-čestica tj. helijevih jezgri. Thompsonov je model atoma predviđao će alfa-čestice proći kroz tanki metalni film i raspršiti se pod određenim malim kutovima. No, na veliko je iznenađenje istraživačkoga tima ustanovljeno raspršenje i pod velikim kutovima, a neke su se helijeve jezgre od metalne folije odbile potpuno unatrag. Rutherford je to usporedio s vjerojatnošću da list papira odbije topovsku kuglu. Rezultat je pokusa vodio prema novom modelu atoma, koji je Rutherford predložio 1911. godine: atom se sastoji od središnjega naboja okruženoga sferičnom raspodjelom naboja suprotnoga predznaka. U početku se pretpostavljalo da su i elektroni građevne čestice atomske jezgre, pa je u modelu za atom dušika rednoga broja 7 bilo pretpostavljeno da u jezgri ima 21 česticu, i to 14 protona i 7 elektrona, a u elektronskom omotaču još 7 elektrona. Otkriće je spina i spektroskopija dušikovih jezgri, do čega je 1930. godine došao talijanski fizičar Franco Rasetti (1901. – 2001.), pokazalo da se dušikove jezgre vladaju kao čestice cjelobrojnoga spina, tj. kao bozoni. To je bilo u potpunom neskladu s predloženim modelom dušikove jezgre s 21 nukleonom, pa je to neslaganje nazvano „dušikovom katastrofom“. No, „katastrofa“ je razriješena otkrićem neutrona, koje je 1932. objavio James Chadwick (1891. – 1974.) i njegova spina 1/2. Ruski je fizičar Dmitri Ivanenko (1904. – 1994.) predložio tada današnji model atoma prema kojem su atomski nukleoni protoni i neutroni, a ne elektroni. Naziv proton za pozitivno nabijeni nukleon prvi je upotrijebio Rutherford, a on je 1919. godine izveo i prvu pretvorbu (transmutaciju) jednoga elementa u drugi; toj je prvoj nuklearnoj reakciji u povijesti bombardirao dušik alfa-česticama i tako dobio kisik.

Godine 1935. japanski teoretičar i prvi japanski nobelovac Hideki Yukawa (1907. – 1981.) je predložio prvu značajnu teoriju jake nuklearne sile, kojom je objasnio stabilnost, odnosno egzistenciju atomske jezgre. Prema Yukawi, posrednik je sile među nukleonima virtualna čestica, kasnije nazvana mezon, a jaka je privlačna nuklearna sila odgovorna za postojanje jezgre unatoč električnom odbijanju  protona. Yukawina je teorija objasnila mali doseg nuklearne sile. Godine 1947. engleski je fizičar Cecil Powell (1903. – 1969.) u kozmičkom zračenju otkrio česticu nazvanu pi-mezon (p-mezon), svojstava upravo predviđenih Yukawinom teorijom.

Time je uspostavljen suvremeni model atoma, čije je središte jezgra građena od neutrona i protona vezanih jakom nuklearnom silom. Kada je jezgra prevelikih dimenzija, mali doseg nuklearne sile ne može je držati na okupu i ona postaje nestabilna te se radioaktivnošću raspada. Alfa-raspadom jezgra emitira alfa-čestice ili helijeve jezgre, a beta-raspadom može emitirati elektron ili pozitron. Nakon tih raspada jezgra može biti u pobuđenom stanju i iz njega prijeći u osnovno stanje emisijom fotona visoke energije, tj. gama-raspadom.

Za razvoj je nuklearne fizike bila posebno važna gradnja uređaja kojima se ona istražuje – ubrzivača ili akceleratora čestica. Prvi se takvi uređaji konstruiraju u Americi 1928. godine. Načelo je rada ciklotrona 1930. godine predložio američki fizičar Ernest Lawrence (1901. – 1958.), za što je, uz svoja ostala istraživanja umjetne radioaktivnosti, 1939. godine dobio Nobelovu nagradu.