James Chadwick objevil neutron v roce 1932 a v roce 1935 mu byla udělena Nobelova cena za fyziku.
Držel se v německém zajateckém táboře po celou první světovou válku a vedl britský tým v projektu Manhattan, ve kterém Spojené království a Kanada podpořily snahu USA z 2. světové války postavit první jadernou bombu na světě.
Počáteční život a vzdělávání Jamese Chadwicka
James Chadwick se narodil v malém městečku Bollington v Anglii ve Velké Británii 20. října 1891 .
Jeho rodiči byli Joseph, skladník železnic, a Anne, služebnice v domácnosti. Když mu bylo 11, získal James vstup na prestižní Manchesterské gymnázium. Bohužel jeho rodiče byli příliš chudí na to, aby si mohli dovolit skromné školné. Místo toho byl James Chadwick vzděláván na Manchester’s Central Grammar School for Boys. Mezi jeho oblíbené předměty patřila matematika a fyzika. Ve věku 16 let získal stipendium na Victoria University v Manchesteru.
Měl v úmyslu studovat matematiku, ale byl vyslechnut fyzikem, který předpokládal, že chce studovat fyziku. Chadwick byl příliš plachý, než aby mu odporoval, a tak se zapsal jako major fyziky!
University Years
Chadwick nastoupil na univerzitu v roce 1908 ve věku 17 let. byl v posledním ročníku vysokoškolského studia fyziky a pracoval na výzkumném projektu v laboratoři Ernesta Rutherforda. Rutherford vyhrál Nobelovu cenu za chemii v roce, kdy Chadwick zahájil univerzitu. Cena byla udělena za Rutherfordovo vyšetřování rozpadu prvků a chemie radioaktivních látek.
Chadwick úspěšně provedl svůj projekt a promoval s vyznamenáním fyziky v roce 1911. Byly to finančně náročné tři roky – vždy chodil bez oběda, protože měl tak málo peněz. Po absolutoriu Chadwick pokračoval v práci v Rutherfordově laboratoři, dokud mu ve věku 21 let nebyl v roce 1912 udělen magisterský titul z fyziky.
Stipendijní výhra ho zavedla do německého Berlína, kde pracoval v laboratoři Hanse Geigera. Stejně jako Rutherford bylo i Geigerovo pole radioaktivitou – vynalezl Geigerův čítač pro detekci úrovní radiace.
Bohužel pro Chadwicka začala 1. světová válka v roce 1914, když byl ještě v Berlíně. Byl internován v táboře na západě Berlína, dokud válka neskončila v roce 1918.
Ve věku 28 let se Chadwick znovu připojil k Ernestovi Rutherfordovi v roce 1919, aby začal pracovat na svém Ph.D. Rutherford nyní řídil prestižní Cavendish Laboratory z Cambridgeské univerzity, jejímž prvním profesorem byl James Clerk Maxwell.
Chadwick získal titul Ph.D. v roce 1921 za práci týkající se atomových čísel a jaderných sil.
James Chadwick, Nucleus a Neutron
V roce 1923, ve věku 32 let, se Chadwick stal Rutherfordovým pomocným ředitelem pro výzkum v Cavendishova laboratoř, kde pokračoval ve studiu atomového jádra.
V té době většina vědců věřila, že v jádře i mimo něj jsou elektrony. Například se předpokládalo, že jádro atomu uhlíku obsahuje 12 protonů a 6 elektronů, což mu dává elektrický náboj +6. Obíhající kolem jádra mělo být dalších 6 elektronů, které způsobovaly, že celkový elektrický náboj atomu byl 0.
Rutherford, Chadwick a někteří další věřili v možnost, že v jádře mohou být částice bez náboje.
Ve svém volném čase, přes 20. léta 20. století, Chadwick provedl v laboratoři řadu pokusů o nalezení těchto neutrálních částic, ale bez úspěchu. Stále více byl však přesvědčen o existenci neutrální částice – neutronu. Nemohl však získat důkazy, které potřeboval k prokázání své existence.
Na začátku roku 1932 se Chadwick dozvěděl o práci, kterou právě provedli Frederic a Irene Joliot-Curie v Paříži. Joliot-Curies věřili, že se jim podařilo pomocí gama paprsků vysunout protony ze vzorku vosku. To nedávalo smysl Chadwickovi, který si myslel, že paprsky gama nejsou dostatečně silné, aby to dokázaly. Důkazy, že protony byly zasaženy dostatečnou energií k jejich vysunutí, však byly přesvědčivé.
Zdrojem gama záření byl radioaktivní prvek polonium. Chadwick dospěl k závěru, že protony skutečně zasáhla hledaná částice: neutron.
S horečkou začal pracovat v laboratoři Cavendish. Pomocí polonia jako zdroje neutronů (o nichž se domníval, že jsou) bombardoval vosk. Protony byly uvolněny voskem a Chadwick provedl měření chování protonů.
Protony se chovaly přesně tak, jak by měly, pokud by byly zasaženy elektricky neutrálními částicemi s hmotou podobnou protonu. Chadwick objevil neutron.
Do dvou týdnů napsal prestižnímu vědeckému časopisu Nature, aby oznámil možnou existenci neutronu.
Chadwick si nemyslel, že objevil novou elementární částici. Věřil, že neutron je složitá částice skládající se z protonu a elektronu. Německý fyzik Werner Heisenberg ukázal, že neutron nemůže být pár elektron-proton, a že je ve skutečnosti novou elementární částicou.
V roce 1935 získal James Chadwick Nobelovu cenu za fyziku za objev neutronu .
Obrázek z expanzní komory v Chadwickově laboratoři. Neutron se srazí s atomem dusíku-14. Atom dusíku se rozdělí na bór-11 a hélium-4.
A co Joliot-Curies? Kdyby jen správně interpretovali své výsledky, mohli by sami objevit neutron. Frederic a Irene Joliot-Curie ve skutečnosti obdrželi v roce 1935 Nobelovu cenu za chemii: byli prvními lidmi, kteří vytvořili nové, syntetické, radioaktivní prvky.
„Už jsem zmínil Rutherfordův návrh, že by mohla existovat neutrální částice vytvořená blízkou kombinací protonu a elektronu, a bylo zpočátku přirozené předpokládat, že neutron může být tak složitá částice. Na druhé straně ruku v ruce, strukturu tohoto druhu nelze včlenit do schématu kvantové mechaniky … statistiky a otáčky lehčích prvků lze podat konzistentně, pouze pokud předpokládáme, že neutron je elementární částice. “
Nové prvky a jaderné reakce
Objev neutronu dramaticky změnil směr vědy, protože neutrony mohly být sráženy s atomovými jádry. Některé z neutronů by postel v jádru, zvyšující jeho hmotnost. Přirozený beta rozpad (emise elektronu z jádra atomu) by pak přeměnil neutron na proton. Protože prvek je definován počtem protonů, které má (vodík má 1, helium 2, lithium 3, berylium 4, bór 5, uhlík 6, dusík 7, kyslík 8 atd.), Umožnilo to vědcům vytvářet nové, těžší To také znamenalo, že neutrony by mohly být použity k rozdělení těžkých atomů v procesu známém jako atomové štěpení, produkující velké množství energie, která by mohla být použita v atomových bombách nebo jaderných elektrárnách.
Chadwick odchází z Cambridgea do Liverpoolu
V roce 1935, než byla udělena Nobelova cena, byl Chadwickovi nabídnut Lyon Jones Chair of Physics na univerzitě v Liverpoolu, kterou přijal. Do nového zaměstnání nastoupil měsíc poté, co uslyšel, že získal Nobelovu cenu.
V Liverpoolu založil skupinu pro jadernou fyziku. Skupina potřebovala rozbijač cyklotronů / urychlovačů částic / atomů, ale jeho nová univerzita si to nemohla dovolit. Chadwick je částečně financoval z částek ze svých peněz Nobelovy ceny.
Druhá světová válka a atomová bomba
V roce 1939, prvním roce druhé světové války, byl Chadwick požádán Britská vláda o výrobě atomové bomby. Řekl, že je to možné, ale nebylo by to snadné.
Předběžný výzkum začal na řadě univerzit. Pracovní podmínky v Chadwickově laboratoři byly náročné. Sousedství v Liverpoolu bylo často napadeno nálety německého letectva. Navzdory bombardování Chadwickova výzkumná skupina do jara 1941 zjistila, že kritické množství uranu 235 pro jadernou detonaci bylo asi 8 kilogramů.
Válečný Liverpool po německém náletu. Chadwickova laboratoř se často otřásala výbuchem bomb v okolí.
Chadwick napsal v létě 1941 souhrnnou zprávu o všech dílech atomových bomb prováděných na britských univerzitách. V USA si prezident Roosevelt přečetl zprávu na podzim roku 1941 a USA začaly nalévat miliony dolarů do vlastního výzkumu atomových bomb. Když se s nimi setkal, řekl Chadwick americkým představitelům, že si je na 90 procent jistý, že bomba bude fungovat.
Na konci roku 1943 cestoval Chadwick do USA, aby se seznámil se zařízeními projektu Manhattan. Byl jedním z pouhých tří mužů na světě, kteří měli přístup ke všem americkým výzkumným, datovým a výrobním závodům pro bombu: dalšími dvěma byli americký generálmajor Leslie Groves, ředitel projektu na Manhattanu, a Grovesův druhý nejvyšší velitel, Generálmajor Thomas Francis Farrell.
Začátkem roku 1944 se Chadwick, jeho manželka a děti, přestěhovali do Los Alamos, hlavního výzkumného centra projektu Manhattan.
Chadwick byl přítomen, když vlády USA a Velké Británie se dohodly, že bombu lze použít proti Japonsku. Poté se 16. července 1945 zúčastnil jaderného testu Trojice, kdy byla odpálena první atomová bomba na světě.
V roce 1945 ho britská vláda povýšila na rytíře za jeho válečný přínos a stal se ním sir James Chadwick. Vláda USA mu v roce 1946 udělila Medaili za zásluhy.
Konec
James Chadwick zemřel pokojně, ve věku 82 let, 24. července 1974.
