James Chadwick a découvert le neutron en 1932 et a reçu le prix Nobel de physique en 1935.
Tenu dans un camp de prisonniers allemand pendant toute la Première Guerre mondiale, il a dirigé l’équipe britannique du projet Manhattan, dans lequel le Royaume-Uni et le Canada ont soutenu l’effort américain de la Seconde Guerre mondiale pour construire la première bombe nucléaire au monde.
Première vie et éducation de James Chadwick
James Chadwick est né dans la petite ville de Bollington, Angleterre, Royaume-Uni le 20 octobre 1891 .
Ses parents étaient Joseph, un magasinier des chemins de fer, et Anne, une domestique. À l’âge de 11 ans, James a été admis à la prestigieuse Manchester Grammar School. Malheureusement, ses parents étaient trop pauvres pour payer les frais de scolarité modestes. Au lieu de cela, James Chadwick a fait ses études à la Central Grammar School for Boys de Manchester. Ses matières préférées étaient les mathématiques et la physique. Âgé de 16 ans, il a remporté une bourse à l’Université Victoria de Manchester.
Il avait l’intention d’étudier les mathématiques, mais a été interviewé par un physicien qui a supposé qu’il voulait étudier la physique. Chadwick était trop timide pour le contredire, alors il a fini par s’inscrire comme étudiant en physique!
Années universitaires
Chadwick a commencé l’université en 1908, à l’âge de 17 ans. il était en dernière année de son diplôme de physique et travaillait sur un projet de recherche dans le laboratoire d’Ernest Rutherford. Rutherford avait remporté le prix Nobel de chimie l’année où Chadwick a commencé l’université. Le prix a été décerné pour les recherches de Rutherford sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives.
Chadwick a mené à bien son projet et a obtenu son diplôme avec les honneurs de première classe en physique en 1911. Cela avait été une période de trois années difficiles financièrement – il était toujours allé sans déjeuner, parce qu’il avait si peu d’argent. Après avoir obtenu son diplôme, Chadwick a continué à travailler dans le laboratoire de Rutherford jusqu’à ce qu’à 21 ans, il obtienne une maîtrise en physique en 1912.
Une bourse d’études l’a conduit à Berlin, en Allemagne, pour travailler dans le laboratoire de Hans Geiger. Comme Rutherford, le domaine de Geiger était la radioactivité – il a inventé le compteur Geiger pour détecter les niveaux de rayonnement.
Malheureusement pour Chadwick, la Première Guerre mondiale a commencé en 1914 alors qu’il était encore à Berlin. Il a été interné dans un camp à l’ouest de Berlin jusqu’à la fin de la guerre en 1918.
À 28 ans, Chadwick a rejoint Ernest Rutherford en 1919 pour commencer à travailler pour son doctorat. Rutherford était désormais responsable du prestigieux laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge, dont le premier professeur avait été James Clerk Maxwell.
Chadwick a obtenu son doctorat. en 1921 pour une thèse sur les nombres atomiques et les forces nucléaires.
James Chadwick, le noyau et le neutron
En 1923, à 32 ans, Chadwick devient directeur adjoint de la recherche de Rutherford dans le Cavendish Laboratory où il a continué à étudier le noyau atomique.
À l’époque, la plupart des chercheurs pensaient qu’il y avait des électrons à l’intérieur du noyau ainsi qu’à l’extérieur. Par exemple, on pensait que le noyau d’un atome de carbone contenait 12 protons et 6 électrons, ce qui lui donnait une charge électrique de +6. En orbite autour du noyau, 6 électrons supplémentaires étaient censés entraîner la charge électrique globale de l’atome à 0.
Rutherford, Chadwick et quelques autres croyaient en la possibilité que des particules sans charge puissent se trouver dans le noyau.
Pendant son temps libre, à travers les années 1920, Chadwick a fait diverses tentatives en laboratoire pour trouver ces particules neutres, mais sans succès. Il était cependant de plus en plus convaincu de l’existence d’une particule neutre – le neutron. Cependant, il n’a pas pu obtenir les preuves dont il avait besoin pour prouver son existence.
Puis, au début de 1932, Chadwick a appris le travail que Frédéric et Irene Joliot-Curie venaient de faire à Paris. Les Joliot-Curie pensaient avoir réussi à éjecter des protons d’un échantillon de cire à l’aide de rayons gamma. Cela n’avait aucun sens pour Chadwick, qui pensait que les rayons gamma n’étaient pas assez puissants pour le faire. Cependant, la preuve que des protons avaient été frappés avec suffisamment d’énergie pour les éjecter était convaincante.
La source de rayons gamma était l’élément radioactif polonium. Chadwick a tiré la conclusion que les protons avaient en fait été touchés par la particule qu’il recherchait: le neutron.
Fébrilement, il a commencé à travailler dans le laboratoire de Cavendish. Utilisant le polonium comme source de neutrons (ce qu’il croyait être), il bombarda de la cire. Des protons ont été libérés par la cire et Chadwick a mesuré le comportement des protons.
Les protons se sont comportés exactement comme ils le devraient s’ils avaient été touchés par des particules électriquement neutres avec une masse similaire au proton. Chadwick avait découvert le neutron.
En l’espace de deux semaines, il avait écrit à la prestigieuse revue scientifique Nature pour annoncer l’existence possible d’un neutron.
Chadwick ne pensait pas avoir découvert une nouvelle particule élémentaire. Il pensait que le neutron était une particule complexe composée d’un proton et d’un électron. Le physicien allemand Werner Heisenberg a montré que le neutron ne pouvait pas être une paire électron-proton, et était en fait une nouvelle particule élémentaire.
En 1935, James Chadwick a reçu le prix Nobel de physique pour sa découverte du neutron .
Une image d’une chambre d’expansion dans le laboratoire de Chadwick. Un neutron entre en collision avec un atome d’azote 14. L’atome d’azote se divise en bore-11 et hélium-4.
Et qu’en est-il des Joliot-Curies? Si seulement ils avaient interprété correctement leurs résultats, ils auraient pu découvrir le neutron eux-mêmes. En fait, Frédéric et Irene Joliot-Curie ont également reçu un prix Nobel en 1935, pour la chimie: ils ont été les premiers à créer de nouveaux éléments radioactifs synthétiques.
« J’ai déjà mentionné la suggestion de Rutherford selon laquelle il pourrait exister une particule neutre formée par la combinaison étroite d’un proton et d’un électron, et il était au début naturel de supposer que le neutron pourrait être une particule aussi complexe. De l’autre part, une structure de ce genre ne peut pas être intégrée dans le schéma de la mécanique quantique,… les statistiques et les spins des éléments plus légers ne peuvent recevoir une description cohérente que si l’on suppose que le neutron est une particule élémentaire. »
Nouveaux éléments et réactions nucléaires
La découverte du neutron a radicalement changé le cours de la science, car les neutrons pourraient être entrés en collision avec des noyaux atomiques. Certains des neutrons seraient im lit dans un noyau, augmentant sa masse. La désintégration bêta naturelle (l’émission d’un électron à partir du noyau d’un atome) convertirait alors le neutron en proton. Étant donné qu’un élément est défini par le nombre de protons dont il dispose (l’hydrogène a 1, l’hélium 2, le lithium 3, le béryllium 4, le bore 5, le carbone 6, l’azote 7, l’oxygène 8, etc.), cela a permis aux scientifiques de fabriquer de nouveaux éléments plus lourds. éléments du laboratoire.
Cela signifiait également que les neutrons pouvaient être utilisés pour diviser des atomes lourds dans un processus connu sous le nom de fission atomique, produisant une grande quantité d’énergie qui pourrait être utilisée dans des bombes atomiques ou des centrales nucléaires.
Chadwick quitte Cambridge pour Liverpool
En 1935, avant l’attribution de son prix Nobel, Chadwick se voit offrir la chaire de physique Lyon Jones à l’université de Liverpool, qu’il accepte. Il a commencé son nouvel emploi un mois avant d’apprendre qu’il avait remporté le prix Nobel.
À Liverpool, il a créé un groupe de physique nucléaire. Le groupe avait besoin d’un cyclotron / accélérateur de particules / atomiseur, mais sa nouvelle université ne pouvait pas se le permettre. Chadwick l’a cofinancé en utilisant une partie de son prix Nobel.
La Seconde Guerre mondiale et la bombe atomique
En 1939, la première année de la Seconde Guerre mondiale, Chadwick a été sollicité par le Gouvernement britannique sur la construction d’une bombe atomique. Il a dit que c’était possible, mais que ce ne serait pas facile.
Des recherches préliminaires ont commencé dans un certain nombre d’universités. Les conditions de travail dans le laboratoire de Chadwick étaient difficiles. Le quartier de Liverpool a été fréquemment attaqué lors de raids aériens par l’armée de l’air allemande. Malgré le bombardement, au printemps 1941, le groupe de recherche de Chadwick avait découvert que la masse critique d’uranium 235 pour une détonation nucléaire était d’environ 8 kilogrammes.
Liverpool en temps de guerre après un raid aérien allemand. Le laboratoire de Chadwick a souvent été secoué par les explosions de bombes dans le quartier.
Chadwick a rédigé un rapport de synthèse à l’été 1941 de tous les travaux sur la bombe atomique réalisés dans les universités britanniques. Aux États-Unis, le président Roosevelt a lu le rapport à l’automne 1941, et les États-Unis ont commencé à investir des millions de dollars dans leurs propres recherches sur la bombe atomique. Lorsqu’il les a rencontrés, Chadwick a dit aux représentants américains qu’il était sûr à 90% que la bombe fonctionnerait.
À la fin de 1943, Chadwick s’est rendu aux États-Unis pour voir les installations du projet Manhattan. Il était l’un des trois seuls hommes au monde à avoir accès à toutes les usines américaines de recherche, de données et de production de la bombe: les deux autres étaient le général de division américain Leslie Groves, directeur du projet Manhattan et commandant en second de Groves, Le général de division Thomas Francis Farrell.
Au début de 1944, Chadwick, sa femme et ses enfants ont déménagé à Los Alamos, le principal centre de recherche du projet Manhattan.
Chadwick était présent lorsque les gouvernements américain et britannique ont convenu que la bombe pourrait être utilisée contre le Japon. Il a ensuite assisté à l’essai nucléaire de la Trinité le 16 juillet 1945, lorsque la première bombe atomique du monde a explosé.
En 1945, le gouvernement britannique l’a fait chevalier pour sa contribution en temps de guerre, et il est devenu Sir James Chadwick. Le gouvernement américain lui a décerné la Médaille du mérite en 1946.
The End
James Chadwick est décédé paisiblement, à l’âge de 82 ans, le 24 juillet 1974.
