James Chadwick odkrył neutron w 1932 roku i otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1935 roku.
Przebywający w niemieckim obozie jenieckim przez całą I wojnę światową, kierował brytyjskim zespołem projektu Manhattan, w którym Wielka Brytania i Kanada wsparły wysiłki USA w drugiej wojnie światowej mające na celu zbudowanie pierwszej na świecie bomby atomowej.
Wczesne życie i edukacja Jamesa Chadwicka
James Chadwick urodził się w małym miasteczku Bollington w Anglii 20 października 1891 roku .
Jego rodzicami byli Józef, sklepikarz kolejowy i Anne, służąca domowa. W wieku 11 lat James dostał się do prestiżowego Manchester Grammar School. Niestety jego rodzice byli zbyt biedni, by pozwolić sobie na skromne czesne. Zamiast tego James Chadwick uczył się w Central Grammar School for Boys w Manchesterze. Jego ulubionymi przedmiotami były matematyka i fizyka. W wieku 16 lat zdobył stypendium na Uniwersytecie Wiktorii w Manchesterze.
Miał zamiar studiować matematykę, ale rozmawiał z fizykiem, który zakładał, że chce studiować fizykę. Chadwick był zbyt nieśmiały, by mu zaprzeczyć, więc ostatecznie zapisał się na fizykę!
Lata uniwersyteckie
Chadwick rozpoczął studia w 1908 roku w wieku 17 lat. W wieku 19 lat był na ostatnim roku studiów z fizyki i pracował nad projektem badawczym w laboratorium Ernesta Rutherforda. Rutherford zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w roku, w którym Chadwick rozpoczął uniwersytet. Nagrodę przyznano za badania Rutherforda dotyczące rozpadu pierwiastków i chemii substancji radioaktywnych.
Chadwick pomyślnie zrealizował swój projekt i ukończył z wyróżnieniem fizykę w 1911 roku. Trzy lata były trudne finansowo – zawsze chodził bez obiadu, ponieważ miał tak mało pieniędzy. Po ukończeniu studiów Chadwick kontynuował pracę w laboratorium Rutherforda, aż w wieku 21 lat uzyskał tytuł magistra fizyki w 1912 roku.
Stypendium zabrało go do Berlina w Niemczech, gdzie pracował w laboratorium Hansa Geigera. Podobnie jak Rutherford, polem Geigera była radioaktywność – wynalazł licznik Geigera do wykrywania poziomów promieniowania.
Na nieszczęście dla Chadwicka pierwsza wojna światowa rozpoczęła się w 1914 roku, kiedy był jeszcze w Berlinie. Był internowany w obozie w zachodniej części Berlina do zakończenia wojny w 1918 roku.
W wieku 28 lat Chadwick powrócił do Ernesta Rutherforda w 1919 roku, aby rozpocząć pracę nad doktoratem. Rutherford był teraz szefem prestiżowego laboratorium Cavendish na Uniwersytecie Cambridge, którego pierwszym profesorem był James Clerk Maxwell.
Chadwick otrzymał stopień doktora. w 1921 roku za pracę na temat liczb atomowych i sił jądrowych.
James Chadwick, Jądro i Neutron
W 1923 roku, w wieku 32 lat, Chadwick został zastępcą dyrektora ds. badań Rutherforda w Cavendish Laboratory, gdzie kontynuował badania jądra atomowego.
W tamtych czasach większość badaczy uważała, że elektrony znajdują się zarówno w jądrze, jak i poza nim. Na przykład sądzono, że jądro atomu węgla zawiera 12 protonów i 6 elektronów, co daje mu ładunek elektryczny +6. Na orbicie jądra miało znajdować się kolejne 6 elektronów powodujących całkowity ładunek elektryczny atomu na 0.
Rutherford, Chadwick i niektórzy inni wierzyli w możliwość, że w jądrze mogą znajdować się cząstki bez ładunku.
W swoim wolnym czasie, w latach dwudziestych XX wieku, Chadwick podejmował różne próby w laboratorium, aby znaleźć te neutralne cząstki, ale bezskutecznie. Był jednak coraz bardziej przekonany o istnieniu neutralnej cząstki – neutronu. Nie mógł jednak zdobyć dowodów potrzebnych do udowodnienia jej istnienia.
Wtedy, na początku 1932 roku, Chadwick dowiedział się o pracy, którą Frederic i Irene Joliot-Curie właśnie wykonali w Paryżu. Joliot-Curie wierzyli, że udało im się wyrzucić protony z próbki wosku za pomocą promieni gamma. To nie miało sensu dla Chadwicka, który uważał, że promienie gamma nie są wystarczająco silne, aby to zrobić. Jednak dowód na to, że w protony uderzono z wystarczającą energią, aby je wyrzucić, był przekonujący.
Źródłem promieniowania gamma był radioaktywny pierwiastek polon. Chadwick doszedł do wniosku, że w protony faktycznie uderzyła cząstka, której szukał: neutron.
Gorączkowo rozpoczął pracę w laboratorium Cavendish. Używając polonu jako źródła (jak sądził) neutronów, zbombardował wosk. Protony zostały uwolnione przez wosk i Chadwick dokonał pomiarów zachowania protonów.
Protony zachowywały się dokładnie tak, jak powinny, gdyby zostały uderzone elektrycznie obojętnymi cząsteczkami o masie podobnej do protonu. Chadwick odkrył neutron.
W ciągu dwóch tygodni napisał do prestiżowego czasopisma naukowego Nature, w którym ogłosił możliwe istnienie neutronu.
Chadwick nie sądził, że odkrył nową cząstkę elementarną. Uważał, że neutron jest złożoną cząstką składającą się z protonu i elektronu. Niemiecki fizyk Werner Heisenberg wykazał, że neutron nie może być parą elektron-proton i faktycznie jest nową cząstką elementarną.
W 1935 roku James Chadwick otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie neutronu .
Obraz z komory rozprężnej w laboratorium Chadwicka. Neutron zderza się z atomem azotu-14. Atom azotu rozpada się na bor-11 i hel-4.
A co z Joliot-Curie? Gdyby tylko poprawnie zinterpretowali wyniki, mogliby sami odkryć neutron. W rzeczywistości Frederic i Irene Joliot-Curie również otrzymali w 1935 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii: jako pierwsi stworzyli nowe, syntetyczne pierwiastki radioaktywne.
„Wspomniałem już o sugestii Rutherforda, że może istnieć neutralna cząstka utworzona przez bliską kombinację protonu i elektronu, i na początku było rzeczą naturalną przypuszczenie, że neutron może być tak złożoną cząstką. Z drugiej strony ręką, struktury tego rodzaju nie można dopasować do schematu mechaniki kwantowej… statystykę i spiny lżejszych pierwiastków można dać spójny opis tylko wtedy, gdy założymy, że neutron jest cząstką elementarną.
Nowe elementy i reakcje jądrowe
Odkrycie neutronu radykalnie zmieniło bieg nauki, ponieważ neutrony mogły zderzyć się z jądrem atomowym. Niektóre neutrony łóżko w jądrze, zwiększając jego masę. Naturalny rozpad beta (emisja elektronu z jądra atomu) przekształciłby następnie neutron w proton. Ponieważ pierwiastek jest definiowany przez liczbę posiadanych protonów (wodór ma 1, hel 2, lit 3, beryl 4, bor 5, węgiel 6, azot 7, tlen 8 itd.), Umożliwiło to naukowcom tworzenie nowych, cięższych Pierwiastki w laboratorium.
Oznaczało to również, że neutrony można wykorzystać do rozszczepienia ciężkich atomów w procesie znanym jako rozszczepienie atomu, wytwarzając dużą ilość energii, która mogłaby zostać wykorzystana w bombach atomowych lub elektrowniach jądrowych.
Chadwick opuszcza Cambridge do Liverpoolu
W 1935 roku, przed przyznaniem mu Nagrody Nobla, Chadwick otrzymał katedrę fizyki Lyon Jonesa na Uniwersytecie w Liverpoolu, którą przyjął. Swoją nową pracę rozpoczął miesiąc przed tym, jak dowiedział się, że zdobył Nagrodę Nobla.
W Liverpoolu założył grupę fizyki jądrowej. Grupa potrzebowała cyklotronu / akceleratora cząstek / niszczarki atomów, ale jego nowy uniwersytet nie mógł sobie na to pozwolić. Chadwick sfinansował ją częściowo, wykorzystując część pieniędzy z nagrody Nobla.
Druga wojna światowa i bomba atomowa
W 1939 roku, pierwszym roku drugiej wojny światowej, Chadwick został poproszony przez Rząd brytyjski o zbudowaniu bomby atomowej. Powiedział, że to możliwe, ale nie będzie łatwe.
Na wielu uniwersytetach rozpoczęto wstępne badania. Warunki pracy w laboratorium Chadwicka były ciężkie. Okolice Liverpoolu były często atakowane podczas nalotów niemieckich sił powietrznych. Pomimo bombardowania wiosną 1941 roku grupa badawcza Chadwicka odkryła, że masa krytyczna uranu-235 dla wybuchu jądrowego wynosiła około 8 kilogramów.
Wojenny Liverpool po niemieckim nalocie. Laboratorium Chadwicka często trzęsło się od wybuchów bomb w okolicy.
Latem 1941 roku Chadwick napisał podsumowanie wszystkich prac nad bombami atomowymi przeprowadzonych na brytyjskich uniwersytetach. W USA prezydent Roosevelt przeczytał raport jesienią 1941 r., A USA zaczęły inwestować miliony dolarów na własne badania nad bombami atomowymi. Kiedy ich spotkał, Chadwick powiedział amerykańskim przedstawicielom, że jest w 90% pewien, że bomba zadziała.
Pod koniec 1943 roku Chadwick udał się do USA, aby zobaczyć obiekty Projektu Manhattan. Był jednym z zaledwie trzech ludzi na świecie, którzy mieli dostęp do wszystkich amerykańskich zakładów badawczych, danych i produkcji bomby: pozostałymi dwoma byli amerykański generał major Leslie Groves, dyrektor Projektu Manhattan i zastępca dowódcy Grovesa, Generał dywizji Thomas Francis Farrell.
Na początku 1944 roku Chadwick, jego żona i dzieci przeprowadzili się do Los Alamos, głównego ośrodka badawczego Projektu Manhattan.
Chadwick był obecny, gdy rządy USA i Wielkiej Brytanii zgodziły się, że bomba może zostać użyta przeciwko Japonii. Następnie wziął udział w teście nuklearnym Trinity 16 lipca 1945 r., Kiedy to zdetonowano pierwszą na świecie bombę atomową.
W 1945 r. Rząd brytyjski nadał mu tytuł szlachecki za jego wojenny wkład i został Sir Jamesem Chadwickiem. Rząd Stanów Zjednoczonych przyznał mu Medal Zasługi w 1946 roku.
Koniec
James Chadwick zmarł w spokoju 24 lipca 1974 roku w wieku 82 lat.
