ames Chadwick a descoperit neutronul în 1932 și a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1935.
Deținut într-un lagăr de prizonieri din Germania pentru tot Primul Război Mondial, a condus echipa britanică în Proiectul Manhattan, în care Marea Britanie și Canada au sprijinit efortul SUA din cel de-al doilea război mondial de a construi prima bombă nucleară din lume.
Viața timpurie și educația lui James Chadwick
James Chadwick s-a născut în micul oraș Bollington, Anglia, Marea Britanie, la 20 octombrie 1891 .
Părinții săi erau Joseph, un magazionist de căi ferate, și Anne, o servitoare casnică. Când avea 11 ani, James a câștigat intrarea în prestigioasa Manchester Grammar School. Din păcate, părinții lui erau prea săraci pentru a-și permite taxele școlare modeste. În schimb, James Chadwick a fost educat la Școala Gramatică Centrală pentru Băieți din Manchester. Subiectele sale preferate erau matematica și fizica. În vârstă de 16 ani, a câștigat o bursă la Universitatea Victoria din Manchester.
El intenționase să studieze matematică, dar a fost intervievat de un fizician care a presupus că vrea să studieze fizica. Chadwick era prea timid pentru a-l contrazice, așa că a ajuns să se înscrie ca doctor în fizică!
Anii universitari
Chadwick a început universitatea în 1908, la vârsta de 17 ani. La vârsta de 19 ani, era în ultimul an de licență în fizică și lucra la un proiect de cercetare în laboratorul lui Ernest Rutherford. Rutherford câștigase Premiul Nobel pentru chimie în anul în care Chadwick a început universitatea. Premiul a fost acordat pentru investigațiile lui Rutherford privind dezintegrarea elementelor și chimia substanțelor radioactive.
Chadwick și-a realizat proiectul cu succes și a absolvit cu onoruri de primă clasă în fizică în 1911. Fuseseră trei ani grei din punct de vedere financiar – a mers mereu fără prânz, pentru că avea atât de puțini bani. După absolvire, Chadwick a continuat să lucreze în laboratorul lui Rutherford până când, la vârsta de 21 de ani, i s-a acordat un master în fizică în 1912.
O bursă l-a dus la Berlin, Germania, pentru a lucra în laboratorul lui Hans Geiger. La fel ca Rutherford, câmpul lui Geiger era radioactivitatea – a inventat Geiger Counter pentru a detecta nivelurile de radiații.
Din păcate pentru Chadwick, Primul Război Mondial a început în 1914 când era încă la Berlin. A fost internat într-o tabără din vestul Berlinului până la sfârșitul războiului în 1918.
În vârstă de 28 de ani, Chadwick s-a alăturat lui Ernest Rutherford în 1919 pentru a începe să lucreze pentru doctoratul său. Rutherford se ocupa acum de prestigiosul laborator Cavendish al Universității Cambridge, al cărui prim profesor fusese James Clerk Maxwell.
Chadwick a primit doctoratul. în 1921, pentru o teză privind numerele atomice și forțele nucleare. Laboratorul Cavendish, unde a continuat să studieze nucleul atomic.
În acele zile, majoritatea cercetătorilor credeau că există atât electroni în nucleu, cât și în afara acestuia. De exemplu, se crede că nucleul unui atom de carbon conține 12 protoni și 6 electroni, conferindu-i o încărcare electrică de +6. Orbitarea în jurul nucleului ar fi trebuit să fie alți 6 electroni, determinând încărcarea electrică globală a atomului la 0.
Rutherford, Chadwick, iar alții credeau în posibilitatea ca particulele fără sarcină să se afle în nucleu.
În timpul liber, prin anii 1920, Chadwick a făcut o varietate de încercări în laborator de a găsi aceste particule neutre, dar fără succes. Cu toate acestea, el era tot mai convins de existența unei particule neutre – neutronul. Cu toate acestea, el nu a putut obține dovezile de care avea nevoie pentru a-și demonstra existența.
Apoi, la începutul anului 1932, Chadwick a aflat despre lucrările pe care tocmai le-au făcut Frederic și Irene Joliot-Curie la Paris. Joliot-Curies credeau că reușiseră să scoată protoni dintr-un eșantion de ceară folosind raze gamma. Acest lucru nu avea sens pentru Chadwick, care credea că razele gamma nu sunt suficient de puternice pentru a face acest lucru. Cu toate acestea, dovezile că protonii au fost loviți cu suficientă energie pentru a le scoate au fost convingătoare.
Sursa de raze gamma fusese elementul radioactiv poloniu. Chadwick a tras concluzia că protonii au fost efectiv loviti de particula pe care o căuta: neutronul.
Cu febră, a început să lucreze în laboratorul Cavendish. Folosind poloniul ca sursă de neutroni (ceea ce el credea că sunt), el a bombardat ceara. Protonii au fost eliberați de ceară și Chadwick a făcut măsurători ale comportamentului protonilor.
Protonii s-au comportat exact așa cum ar fi trebuit dacă ar fi fost loviți de particule neutre din punct de vedere electric cu o masă similară cu protonul. Chadwick descoperise neutronul.
În două săptămâni scrisese la prestigioasa revistă științifică Nature pentru a anunța existența posibilă a unui neutron.
Chadwick nu credea că descoperise o nouă particulă elementară. El credea că neutronul este o particulă complexă formată dintr-un proton și un electron. Fizicianul german Werner Heisenberg a arătat că neutronul nu poate fi o pereche electron-proton și că este de fapt o nouă particulă elementară.
În 1935, James Chadwick a primit Premiul Nobel pentru fizică pentru descoperirea neutronului. .
O imagine dintr-o cameră de expansiune din laboratorul Chadwick. Un neutron se ciocnește cu un atom de azot-14. Atomul de azot se împarte în bor-11 și heliu-4.
Și ce rămâne cu Joliot-Curies? Dacă ar fi interpretat corect rezultatele lor, ar fi putut descoperi ei înșiși neutronul. De fapt, Frederic și Irene Joliot-Curie au primit și Premiul Nobel în 1935, pentru chimie: au fost primii oameni care au creat elemente noi, sintetice, radioactive.
„Am menționat deja sugestia lui Rutherford că ar putea exista o particulă neutră formată din combinația strânsă a unui proton și a unui electron și a fost la început natural să presupunem că neutronul ar putea fi o particulă atât de complexă. Pe de altă parte mână, o structură de acest fel nu poate fi încorporată în schema mecanicii cuantice, … statisticile și rotirile elementelor mai ușoare pot primi o descriere consecventă numai dacă presupunem că neutronul este o particulă elementară. ”
Noi elemente și reacții nucleare
Descoperirea neutronului a schimbat dramatic cursul științei, deoarece neutronii ar putea fi ciocniți cu nucleii atomici. Unii dintre neutroni ar im pat într-un nucleu, crescându-i masa. Dezintegrarea naturală beta (emisia unui electron din nucleul unui atom) ar transforma apoi neutronul într-un proton. Deoarece un element este definit de numărul de protoni pe care îl are (hidrogenul are 1, heliu 2, litiu 3, beriliu 4, bor 5, carbon 6, azot 7, oxigen 8, etc etc.) acest lucru a permis oamenilor de știință să facă noi, mai grele elemente din laborator.
De asemenea, a însemnat că neutronii ar putea fi utilizați pentru a împărți atomii grei într-un proces cunoscut sub numele de fisiune atomică, producând o cantitate mare de energie care ar putea fi utilizată în bombele atomice sau centralele nucleare.
Chadwick părăsește Cambridge pentru Liverpool
În 1935, înainte ca Premiul Nobel să fie acordat, lui Chadwick i s-a oferit catedra de fizică Lyon Jones de la Universitatea din Liverpool, pe care a acceptat-o. Și-a început noul loc de muncă cu o lună înainte să afle că a câștigat Premiul Nobel.
La Liverpool a început un grup de fizică nucleară. Grupul avea nevoie de un ciclotron / accelerator de particule / zdrobitor de atomi, dar noua sa universitate nu-și putea permite. Chadwick a finanțat-o parțial folosind o parte din banii săi din Premiul Nobel.
Al doilea război mondial și bomba atomică
În 1939, primul an al celui de-al doilea război mondial, Chadwick a fost întrebat de către Guvernul britanic despre construirea unei bombe atomice. El a spus că este posibil, dar nu va fi ușor.
Cercetările preliminare au început în mai multe universități. Condițiile de lucru din laboratorul Chadwick au fost dificile. Cartierul din Liverpool a fost frecvent atacat în raiduri aeriene de către forțele aeriene germane. În ciuda bombardamentelor, până în primăvara anului 1941, grupul de cercetare al lui Chadwick a descoperit că masa critică de uraniu-235 pentru o detonare nucleară era de aproximativ 8 kilograme.
Liverpool în timpul războiului după un raid aerian german. Laboratorul lui Chadwick s-a scuturat adesea de exploziile de bombe din cartier.
Chadwick a scris un raport sumar în vara anului 1941 cu privire la toate lucrările cu bombe atomice efectuate în universitățile britanice. În SUA, președintele Roosevelt a citit raportul în toamna anului 1941, iar SUA au început să vândă milioane de dolari în propria cercetare a bombelor atomice. Când i-a întâlnit, Chadwick le-a spus reprezentanților americani că este 90% sigur că bomba va funcționa.
La sfârșitul anului 1943, Chadwick a călătorit în SUA pentru a vedea facilitățile Proiectului Manhattan. El a fost unul dintre cei trei bărbați din lume care s-au bucurat de acces la toate centralele de cercetare, date și producție ale Americii pentru bombă: ceilalți doi au fost generalul-maior american Leslie Groves, directorul Proiectului Manhattan și al doilea comandant al lui Groves, Generalul maior Thomas Francis Farrell.
La începutul anului 1944, Chadwick, soția și copiii săi, s-au mutat la Los Alamos, principalul centru de cercetare pentru Proiectul Manhattan.
Chadwick era prezent când guvernele SUA și Regatul Unit au fost de acord că bomba ar putea fi folosită împotriva Japoniei. Apoi a participat la testul nuclear Trinity pe 16 iulie 1945, când a fost detonată prima bombă atomică din lume.
În 1945, guvernul britanic l-a învestit pentru contribuția sa din război și a devenit Sir James Chadwick. Guvernul SUA i-a acordat Medalia Meritul în 1946.
Sfârșitul
James Chadwick a murit pașnic, la vârsta de 82 de ani, la 24 iulie 1974.
