Ich fürchte, Neutronen werden für niemanden nützlich sein.
Sir James Chadwick war ein britischer Physiker, der 1935 den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung des Neutrons 1932 erhielt. 1941 schrieb er den endgültigen Entwurf des MAUD-Berichts, der die US-Regierung inspirierte, ernsthafte Forschungsanstrengungen zur Atombombe zu beginnen. Er war der Leiter des britischen Teams, das während des Zweiten Weltkriegs am Manhattan-Projekt arbeitete. Er wurde 1945 in Großbritannien für seine Leistungen in der Physik zum Ritter geschlagen.
Chadwick absolvierte 1911 die Victoria University of Manchester, wo er unter Ernest Rutherford studierte, der als der „Vater der Kernphysik" bekannt ist. In Manchester setzte er sein Studium unter Rutherford fort, bis ihm 1913 sein MSc verliehen wurde. Im selben Jahr erhielt Chadwick ein 1851 Research Fellowship von der Royal Commission for the Exhibition of 1851. Er entschied sich dafür, Betastrahlung unter Hans Geiger in Berlin zu studieren. Mit Hilfe von Geigers kürzlich entwickeltem Geiger-Zähler konnte Chadwick demonstrieren, dass Betastrahlung ein kontinuierliches Spektrum erzeugte und nicht diskrete Linien wie angenommen. Noch in Deutschland, als der Erste Weltkrieg in Europa ausbrach, verbrachte er die nächsten vier Jahre im Ruhleben-Internierungslager.
Nach dem Krieg folgte Chadwick Rutherford zum Cavendish Laboratory der Universität Cambridge, wo Chadwick unter Rutherfords Aufsicht von Gonville and Caius College, Cambridge, im Juni 1921 seinen Doktortitel erwarb. Er war über ein Jahrzehnt lang Rutherfords Assistent für Forschungsleiter am Cavendish Laboratory, als es eines der weltweit führenden Zentren für Physikstudium war und Studenten wie John Cockcroft, Norman Feather und Mark Oliphant anzog. Chadwick folgte seiner Entdeckung des Neutrons, indem er seine Masse maß. Er erwartete, dass Neutronen zu einer wichtigen Waffe im Kampf gegen Krebs werden würden. Chadwick verließ das Cavendish Laboratory 1935, um Professor für Physik an der Universität Liverpool zu werden, wo er ein antiquiertes Labor überholte und durch die Installation eines Zyklotrons zu einem wichtigen Zentrum für die Kernphysikforschung machte.
Während des Zweiten Weltkriegs führte Chadwick Forschungen als Teil des Tube-Alloys-Projekts durch, um eine Atombombe zu bauen, während sein Manchester-Labor und seine Umgebung von Luftwaffen-Bombardierungen heimgesucht wurden. Als das Quebec-Abkommen sein Projekt mit dem amerikanischen Manhattan-Projekt verschmolz, wurde er Teil der British Mission und arbeitete am Los Alamos Laboratory und in Washington, D.C. Er überraschte alle, indem er das fast vollständige Vertrauen des Projektleiters Leslie R. Groves, Jr. verdiente. Für seine Bemühungen erhielt Chadwick am 1. Januar 1945 in den New Year Honours einen Ritterorden. Im Juli 1945 besuchte er den Trinity-Kerntest. Danach war er wissenschaftlicher Berater Großbritanniens für die Atomic Energy Commission der Vereinten Nationen. Unbequem mit dem Trend zur Big Science wurde Chadwick 1948 Master von Gonville and Caius College. Er trat 1959 in den Ruhestand.
Ausbildung und frühes Leben
James Chadwick wurde am 20. Oktober 1891 in Bollington, Cheshire, geboren, als erstes Kind von John Joseph Chadwick, einem Baumwollspinner, und Anne Mary Knowles, einer Haushälterin. Er wurde nach seinem Großvater väterlicherseits James genannt. 1895 zogen seine Eltern nach Manchester und ließen ihn in der Obhut seiner mütterlichen Großeltern. Er besuchte die Bollington Cross Primary School und erhielt ein Stipendium für die Manchester Grammar School, das seine Familie ablehnen musste, da sie sich die noch zu zahlenden kleinen Gebühren nicht leisten konnte. Stattdessen besuchte er die Central Grammar School for Boys in Manchester, wo er seine Eltern wiedervereinigte. Er hatte jetzt zwei jüngere Brüder, Harry und Hubert; eine Schwester war im Säuglingsalter gestorben. Mit 16 Jahren legte er zwei Prüfungen für Universitätsstipendien ab und gewann beide.
Chadwick entschied sich für die Victoria University of Manchester, die er 1908 betrat. Er wollte Mathematik studieren, meldete sich aber versehentlich für Physik an. Wie die meisten Studenten lebte er zu Hause und ging jeden Tag 4 Meilen 6,4 km zur Universität und zurück. Am Ende seines ersten Jahres erhielt er ein Heginbottom-Stipendium zum Studium der Physik. Das Physikinstitut wurde von Ernest Rutherford geleitet, der Forschungsprojekte an Schüler der Abschlussklasse vergab, und er wies Chadwick an, ein Mittel zu entwickeln, um die Menge der radioaktiven Energie von zwei verschiedenen Quellen zu vergleichen. Die Idee war, dass sie in Bezug auf die Aktivität von 1 Gramm 0,035 oz Radium, eine Maßeinheit, die als Curie bekannt werden würde, gemessen werden könnten. Rutherfords vorgeschlagener Ansatz war nicht praktikabel – etwas, das Chadwick wusste, aber Angst hatte, Rutherford zu sagen – also machte Chadwick weiter und entwickelte schließlich die erforderliche Methode. Die Ergebnisse wurden zu Chadwicks erstem Papier, das gemeinsam mit Rutherford verfasst und 1912 veröffentlicht wurde. Er machte seinen Abschluss 1911 mit Auszeichnung.
Nachdem er ein Mittel zur Messung von Gammastrahlung entwickelt hatte, machte Chadwick sich daran, die Absorption von Gammastrahlen durch verschiedene Gase und Flüssigkeiten zu messen. Dieses Mal wurde das resultierende Papier allein unter seinem Namen veröffentlicht. 1912 erhielt er seinen Master of Science MSc-Grad und wurde zum Beyer Fellow ernannt. Im folgenden Jahr erhielt er ein 1851 Exhibition Scholarship, das ihm erlaubte, an einer Universität in Kontinentaleuropa zu studieren und zu forschen. Er entschied sich 1913, das Physikalisch-Technische Reichsanstalt in Berlin zu besuchen, um Betastrahlung unter Hans Geiger zu studieren. Mit Hilfe von Geigers kürzlich entwickeltem Geiger-Zähler, der mehr Genauigkeit bot als die früheren fotografischen Techniken, konnte er demonstrieren, dass Betastrahlung keine diskreten Linien erzeugte, wie zuvor angenommen, sondern eher ein kontinuierliches Spektrum mit Spitzenwerten in bestimmten Regionen. Bei einem Besuch in Geigers Labor sagte Albert Einstein zu Chadwick: „Ich kann jede dieser Dinge erklären, aber ich kann nicht beide gleichzeitig erklären." Das kontinuierliche Spektrum blieb für viele Jahre ein unerklärtes Phänomen.
Chadwick war noch in Deutschland zu Beginn des Ersten Weltkriegs und wurde im Ruhleben-Internierungslager in der Nähe von Berlin interniert, wo ihm erlaubt war, ein Labor in den Ställen einzurichten und wissenschaftliche Experimente mit improvisierten Materialien wie radioaktiver Zahnpasta durchzuführen. Mit Hilfe von Charles Drummond Ellis arbeitete er an der Ionisierung von Phosphor und der photochemischen Reaktion von Kohlenmonoxid und Chlor. Er wurde nach dem Waffenstillstand mit Deutschland im November 1918 freigeben und kehrte zum Haus seiner Eltern in Manchester zurück, wo er seine Erkenntnisse aus den letzten vier Jahren für die 1851 Exhibition Commissioners aufschrieb.
Rutherford gab Chadwick eine Teilzeit-Lehrposition in Manchester, was ihm erlaubte, die Forschung fortzusetzen. Er untersuchte die Kernladung von Platin, Silber und Kupfer und stellte experimentell fest, dass dies gleich der Ordnungszahl innerhalb eines Fehlers von weniger als 1,5 Prozent war. Im April 1919 wurde Rutherford Direktor des Cavendish Laboratory an der Universität Cambridge, und Chadwick folgte ihm wenige Monate später. Chadwick erhielt 1920 ein Clerk-Maxwell-Stipendium und meldete sich als Doktor der Philosophie PhD-Student bei Gonville and Caius College, Cambridge, an. Die erste Hälfte seiner Arbeit war seine Arbeit mit Ordnungszahlen. In der zweiten untersuchte er die Kräfte innerhalb des Atomkerns. Sein Abschluss wurde im Juni 1921 verliehen. Im November wurde er Fellow von Gonville and Caius College.
Forscher
Cambridge
Chadwicks Clerk-Maxwell-Stipendium lief 1923 aus, und ihm folgte der russische Physiker Pyotr Kapitza. Der Vorsitzende des Beirats des Department of Scientific and Industrial Research, Sir William McCormick, veranlasste Chadwick, Rutherfords Assistent für Forschungsleiter zu werden. In dieser Rolle half Chadwick Rutherford, PhD-Studenten auszuwählen. In den nächsten Jahren würden diese John Cockcroft, Norman Feather und Mark Oliphant umfassen, die enge Freunde von Chadwick wurden. Da viele Studenten keine Ahnung hatten, was sie erforschen wollten, würden Rutherford und Chadwick Themen vorschlagen. Chadwick bearbeitete alle Papiere, die vom Labor produziert wurden.
1925 traf Chadwick Aileen Stewart-Brown, die Tochter eines Liverpool-Börsenmalers. Die beiden heirateten im August 1925, mit Kapitza als Best Man. Das Paar bekam Zwillingstöchter, Joanna und Judith, die im Februar 1927 geboren wurden.
In seiner Forschung setzte Chadwick fort, den Atomkern zu untersuchen. 1925 hatte das Konzept des Spins es Physikern ermöglicht, den Zeeman-Effekt zu erklären, schuf aber auch unerklärte Anomalien. Damals wurde angenommen, dass der Atomkern aus Protonen und Elektronen bestand, so dass beispielsweise der Stickstoffkern mit einer Massenzahl von 14 angenommen wurde, 14 Protonen und 7 Elektronen zu enthalten. Dies gab ihm die richtige Masse und Ladung, aber den falschen Spin.
Bei einer Konferenz in Cambridge über Betapartikel und Gammastrahlen 1928 traf Chadwick Geiger wieder. Geiger hatte ein neues Modell seines Geiger-Zählers mitgebracht, das von seinem Postdoktorand Walther Müller verbessert worden war. Chadwick hatte seit dem Krieg keinen benutzt, und der neue Geiger-Müller-Zähler war möglicherweise eine große Verbesserung gegenüber den Szintillationstechniken, die damals in Cambridge verwendet wurden und sich auf das menschliche Auge zur Beobachtung stützten. Der Hauptnachteil war, dass er Alpha-, Beta- und Gammastrahlung erkannte, und Radium, das das Cavendish-Labor normalerweise in seinen Experimenten verwendete, sonderte alle drei ab und war daher für das, was Chadwick im Sinn hatte, ungeeignet. Polonium ist jedoch ein Alpha-Emitter, und Lise Meitner schickte Chadwick aus Deutschland etwa 2 Millicuries etwa 0,5 μg.
In Deutschland hatten Walther Bothe und sein Student Herbert Becker Polonium verwendet, um Beryllium mit Alphateilchen zu bombardieren und eine ungewöhnliche Form von Strahlung zu erzeugen. Chadwick ließ seinen australischen 1851 Exhibition Scholar, Hugh Webster, ihre Ergebnisse duplizieren. Für Chadwick war dies ein Beweis für etwas, das er und Rutherford seit Jahren hypothetisierten: das Neutron, ein theoretisches Kernpartikel ohne elektrische Ladung. Dann zog Feather Chadwick im Januar 1932 die Aufmerksamkeit auf ein anderes überraschendes Ergebnis. Frédéric und Irène Joliot-Curie waren erfolgreich darin, Protonen aus Paraffin mit Polonium und Beryllium als Quelle für das auszutreiben, was sie für Gammastrahlung hielten. Rutherford und Chadwick waren anderer Meinung; Protonen waren zu schwer dafür. Aber Neutronen würden nur eine kleine Menge Energie brauchen, um den gleichen Effekt zu erreichen. In Rom kam Ettore Majorana zum selben Schluss: Die Joliot-Curies hatten das Neutron entdeckt, wussten es aber nicht.
Chadwick gab alle seine anderen Verantwortungen auf, um sich auf den Nachweis der Existenz des Neutrons zu konzentrieren, unterstützt von Feather und häufig spät in die Nacht arbeitend. Er konstruierte einen einfachen Apparat, der aus einem Zylinder mit einer Poloniumquelle und einem Berylliumziel bestand. Die resultierende Strahlung konnte dann auf ein Material wie Paraffin gerichtet werden; die verdrängten Teilchen, die Protonen waren, würden in eine kleine Ionisationskammer gehen, wo sie mit einem Oszilloskop erkannt werden konnten. Im Februar 1932 schickte Chadwick nach nur etwa zwei Wochen Experimenten mit Neutronen einen Brief an Nature mit dem Titel „Mögliche Existenz eines Neutrons". Er teilte seine Erkenntnisse ausführlich in einem Artikel mit, der an Proceedings of the Royal Society A mit dem Titel „Die Existenz eines Neutrons" im Mai gesendet wurde. Seine Entdeckung des Neutrons war ein Meilenstein im Verständnis des Atomkerns. Beim Lesen von Chadwicks Papier realisierten Robert Bacher und Edward Condon, dass Anomalien in der damaligen Theorie, wie der Spin von Stickstoff, gelöst würden, wenn das Neutron einen Spin von 1/2 hätte und dass ein Stickstoffkern aus sieben Protonen und sieben Neutronen bestünde.
Die theoretischen Physiker Niels Bohr und Werner Heisenberg überlegten, ob das Neutron ein fundamentales Kernpartikel wie das Proton und Elektron sein könnte, anstatt eines Proton-Elektron-Paares. Heisenberg zeigte, dass das Neutron am besten als neues Kernpartikel beschrieben wurde, aber seine genaue Natur blieb unklar. In seiner Bakerian Lecture von 1933 schätzte Chadwick, dass ein Neutron eine Masse von etwa 1,0067 u hatte. Da ein Proton und ein Elektron eine kombinierte Masse von 1,0078 u hatten, bedeutete dies, dass das Neutron als Proton-Elektron-Kompositum eine Bindungsenergie von etwa 2 MeV hatte, was vernünftig klang, obwohl es schwer zu verstehen war, wie ein Teilchen mit so wenig Bindungsenergie stabil sein konnte. Die Schätzung eines so kleinen Massenunterschieds erforderte herausfordernde präzise Messungen, aber in den Jahren 1933–4 wurden mehrere widersprechende Ergebnisse erhalten. Durch Bombardierung von Bor mit Alphateilchen erhielten Frédéric und Irène Joliot-Curie einen großen Wert für die Masse eines Neutrons, aber das Team von Ernest Lawrence an der Universität von Kalifornien produzierte einen kleinen. Dann schlug Maurice Goldhaber, ein Flüchtling aus dem Nazi-Deutschland und ein Absolvent am Cavendish Laboratory, Chadwick vor, dass Deuteronen durch die 2,6 MeV Gammastrahlen von 208Tl (damals als Thorium C" bekannt) photodisintegriert werden könnten:
2 1D + γ → 1 1H + n
Ein genauer Wert für die Masse des Neutrons könnte aus diesem Prozess bestimmt werden. Chadwick und Goldhaber versuchten dies und stellten fest, dass es funktionierte. Sie maßen die kinetische Energie des erzeugten Protons als 1,05 MeV, wodurch die Masse des Neutrons als Unbekannte in der Gleichung zurückblieb. Chadwick und Goldhaber berechneten, dass es entweder 1,0084 oder 1,0090 Atomeinheiten betrug, je nach Werten
