Me temo que los neutrones no serán de ninguna utilidad para nadie.
Sir James Chadwick fue un físico británico que fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1935 por su descubrimiento del neutrón en 1932. En 1941, escribió el borrador final del Informe MAUD, que inspiró al gobierno estadounidense a comenzar serios esfuerzos de investigación de bombas atómicas. Fue el jefe del equipo británico que trabajó en el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial. Fue nombrado caballero en Gran Bretaña en 1945 por sus logros en física.
Chadwick se graduó de la Victoria University of Manchester en 1911, donde estudió bajo Ernest Rutherford conocido como el "padre de la física nuclear". En Manchester, continuó estudiando bajo Rutherford hasta que obtuvo su MSc en 1913. El mismo año, Chadwick fue galardonado con una Beca de Investigación 1851 de la Royal Commission for the Exhibition of 1851. Eligió estudiar radiación beta bajo Hans Geiger en Berlin. Usando el contador Geiger recientemente desarrollado por Geiger, Chadwick fue capaz de demostrar que la radiación beta producía un espectro continuo, y no líneas discretas como se había pensado. Todavía en Alemania cuando la Primera Guerra Mundial estalló en Europa, pasó los siguientes cuatro años en el campamento de internamiento de Ruhleben.
Después de la guerra, Chadwick siguió a Rutherford al Cavendish Laboratory en la University of Cambridge, donde Chadwick obtuvo su grado de Doctor of Philosophy bajo la supervisión de Rutherford de Gonville and Caius College, Cambridge, en junio de 1921. Fue el director asistente de investigación de Rutherford en el Cavendish Laboratory durante más de una década en un momento en que era uno de los centros más destacados del mundo para el estudio de la física, atrayendo estudiantes como John Cockcroft, Norman Feather y Mark Oliphant. Chadwick siguió su descubrimiento del neutrón midiendo su masa. Anticipó que los neutrones se convertirían en un arma importante en la lucha contra el cáncer. Chadwick dejó el Cavendish Laboratory en 1935 para convertirse en profesor de física en la University of Liverpool, donde renovó un laboratorio anticuado e instalando un ciclotrón, lo convirtió en un centro importante para el estudio de la física nuclear.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Chadwick realizó investigaciones como parte del proyecto Tube Alloys para construir una bomba atómica, mientras que su laboratorio de Manchester y sus alrededores fueron acosados por bombardeos de la Luftwaffe. Cuando el Acuerdo de Quebec fusionó su proyecto con el Proyecto Manhattan estadounidense, se convirtió en parte de la Misión Británica, y trabajó en el Laboratorio Los Alamos y en Washington, D.C. Sorprendió a todos al ganarse la confianza casi completa del director del proyecto Leslie R. Groves, Jr. Por sus esfuerzos, Chadwick recibió un título de caballería en los Honores de Año Nuevo el 1 de enero de 1945. En julio de 1945, presenció la prueba nuclear Trinity. Después de esto, se desempeñó como asesor científico británico de la Comisión de Energía Atómica de las Naciones Unidas. Incómodo con la tendencia hacia Big Science, Chadwick se convirtió en Master of Gonville and Caius College en 1948. Se retiró en 1959.
Educación y vida temprana
James Chadwick nació en Bollington, Cheshire, el 20 de octubre de 1891, el primer hijo de John Joseph Chadwick, hilador de algodón, y Anne Mary Knowles, una criada doméstica. Fue nombrado James en honor a su abuelo paterno. En 1895, sus padres se mudaron a Manchester, dejándolo al cuidado de sus abuelos maternos. Fue a Bollington Cross Primary School, y le ofrecieron una beca a Manchester Grammar School, que su familia tuvo que rechazar ya que no podían permitirse las pequeñas cuotas que aún tenían que pagarse. En su lugar asistió a la Central Grammar School for Boys en Manchester, reuniéndose con sus padres allí. Ahora tenía dos hermanos menores, Harry y Hubert; una hermana había muerto en la infancia. A los 16 años, se presentó a dos exámenes para becas universitarias, y ganó ambas.
Chadwick eligió asistir a Victoria University of Manchester, que ingresó en 1908. Pretendía estudiar matemáticas, pero se matriculó en física por error. Como la mayoría de los estudiantes, vivía en casa, caminando las 4 millas 6.4 km a la universidad y de regreso cada día. Al final de su primer año, le otorgaron una Beca Heginbottom para estudiar física. El departamento de física estaba encabezado por Ernest Rutherford, quien asignaba proyectos de investigación a estudiantes de último año, e instruyó a Chadwick a idear un medio para comparar la cantidad de energía radiactiva de dos fuentes diferentes. La idea era que pudieran medirse en términos de la actividad de 1 gramo 0.035 oz de radio, una unidad de medida que se conocería como el curie. El enfoque sugerido por Rutherford era inviable—algo que Chadwick sabía pero le asustaba decirle a Rutherford—así que Chadwick continuó, e ideó finalmente el método requerido. Los resultados se convirtieron en el primer artículo de Chadwick, que, coautorizado con Rutherford, fue publicado en 1912. Se graduó con honores de primera clase en 1911.
Habiendo ideado un medio para medir radiación gamma, Chadwick procedió a medir la absorción de rayos gamma por varios gases y líquidos. Esta vez el artículo resultante fue publicado bajo su nombre solamente. Le otorgaron su grado de Master of Science MSc en 1912, y fue designado Beyer Fellow. El año siguiente recibió una Beca de Exposición 1851, que le permitió estudiar e investigar en una universidad en Europa continental. Eligió ir al Physikalisch-Technische Reichsanstalt en Berlin en 1913, para estudiar radiación beta bajo Hans Geiger. Usando el contador Geiger recientemente desarrollado por Geiger, que proporcionaba más precisión que las técnicas fotográficas anteriores, fue capaz de demostrar que la radiación beta no producía líneas discretas, como se había pensado anteriormente, sino más bien un espectro continuo con picos en ciertas regiones. En una visita al laboratorio de Geiger, Albert Einstein le dijo a Chadwick: "Puedo explicar cualquiera de estas cosas, pero no puedo explicar ambas al mismo tiempo." El espectro continuo seguiría siendo un fenómeno inexplicado durante muchos años.
Chadwick todavía estaba en Alemania al comienzo de la Primera Guerra Mundial, y fue internado en el campamento de internamiento de Ruhleben cerca de Berlin, donde se le permitió establecer un laboratorio en los establos y llevar a cabo experimentos científicos utilizando materiales improvisados como pasta de dientes radiactiva. Con la ayuda de Charles Drummond Ellis, trabajó en la ionización del fósforo, y la reacción fotoquímica del monóxido de carbono y el cloro. Fue liberado después de que el Armisticio con Alemania entró en vigencia en noviembre de 1918, y regresó a la casa de sus padres en Manchester, donde escribió sus hallazgos durante los cuatro años anteriores para los comisionados de la Exposición 1851.
Rutherford le dio a Chadwick un puesto de enseñanza a tiempo parcial en Manchester, permitiéndole continuar la investigación. Observó la carga nuclear del platino, plata y cobre, y encontró experimentalmente que esta era la misma que el número atómico dentro de un error de menos del 1.5 por ciento. En abril de 1919, Rutherford se convirtió en director del Cavendish Laboratory en la University of Cambridge, y Chadwick se unió a él allí unos meses después. Chadwick recibió una Clerk-Maxwell studentship en 1920, e se inscribió como estudiante de Doctor of Philosophy PhD en Gonville and Caius College, Cambridge. La primera mitad de su tesis fue su trabajo con números atómicos. En la segunda, observó las fuerzas dentro del núcleo. Su grado fue otorgado en junio de 1921. En noviembre, se convirtió en Fellow of Gonville and Caius College.
Investigador
Cambridge
La Clerk-Maxwell studentship de Chadwick expiró en 1923, y fue sucedido por el físico ruso Pyotr Kapitza. El Presidente del Consejo Asesor del Departamento de Investigación Científica e Industrial, Sir William McCormick, arregló para que Chadwick se convirtiera en director asistente de investigación de Rutherford. En este rol, Chadwick ayudó a Rutherford a seleccionar estudiantes de doctorado. Durante los próximos años estos incluirían a John Cockcroft, Norman Feather y Mark Oliphant, que se convertirían en amigos cercanos de Chadwick. Como muchos estudiantes no tenían idea de qué querían investigar, Rutherford y Chadwick sugerirían temas. Chadwick editó todos los trabajos producidos por el laboratorio.
En 1925, Chadwick conoció a Aileen Stewart-Brown, la hija de un corredor de bolsa de Liverpool. Los dos se casaron en agosto de 1925, con Kapitza como padrino. La pareja tuvo gemelas, Joanna y Judith, que nacieron en febrero de 1927.
En su investigación, Chadwick continuó sondeando el núcleo. En 1925, el concepto de spin permitió a los físicos explicar el efecto Zeeman, pero también creó anomalías inexplicadas. En ese momento se creía que el núcleo consistía en protones y electrones, así que el núcleo del nitrógeno, por ejemplo, con un número de masa de 14, se asumía que contenía 14 protones y 7 electrones. Esto le dio la masa y carga correctas, pero el spin incorrecto.
En una conferencia en Cambridge sobre partículas beta y rayos gamma en 1928, Chadwick volvió a encontrarse con Geiger. Geiger había traído consigo un nuevo modelo de su contador Geiger, que había sido mejorado por su estudiante posdoctoral Walther Müller. Chadwick no había usado uno desde la guerra, y el nuevo contador Geiger–Müller era potencialmente una mejora importante sobre las técnicas de centelleo entonces en uso en Cambridge, que se basaban en el ojo humano para la observación. La principal desventaja de esto era que detectaba radiación alfa, beta y gamma, y el radio, que el laboratorio Cavendish normalmente usaba en sus experimentos, emitía las tres, y por lo tanto era inadecuado para lo que Chadwick tenía en mente. Sin embargo, el polonio es un emisor alfa, y Lise Meitner envió a Chadwick aproximadamente 2 milicurios aproximadamente 0.5 μg desde Alemania.
En Alemania, Walther Bothe y su estudiante Herbert Becker habían usado polonio para bombardear berilio con partículas alfa, produciendo una forma inusual de radiación. Chadwick tuvo a su becario australiano de Exposición 1851, Hugh Webster, duplicar sus resultados. Para Chadwick, esto era evidencia de algo que él y Rutherford habían estado hipotetizando durante años: el neutrón, una partícula nuclear teórica sin carga eléctrica. Luego en enero de 1932, Feather llamó la atención de Chadwick a otro resultado sorprendente. Frédéric e Irène Joliot-Curie habían logrado sacar protones de cera de parafina usando polonio y berilio como fuente de lo que creían era radiación gamma. Rutherford y Chadwick no estaban de acuerdo; los protones eran demasiado pesados para eso. Pero los neutrones necesitarían solo una pequeña cantidad de energía para lograr el mismo efecto. En Roma, Ettore Majorana llegó a la misma conclusión: los Joliot-Curie habían descubierto el neutrón pero no lo sabían.
Chadwick abandonó todas sus otras responsabilidades para concentrarse en probar la existencia del neutrón, asistido por Feather y frecuentemente trabajando hasta tarde en la noche. Ideó un aparato simple que consistía en un cilindro que contenía una fuente de polonio y un objetivo de berilio. La radiación resultante podría entonces dirigirse a un material como cera de parafina; las partículas desplazadas, que eran protones, irían a una pequeña cámara de ionización donde podrían ser detectadas con un osciloscopio. En febrero de 1932, después de solo aproximadamente dos semanas de experimentación con neutrones, Chadwick envió una carta a Nature titulada "Possible Existence of a Neutron". Comunicó sus hallazgos en detalle en un artículo enviado a Proceedings of the Royal Society A titulado "The Existence of a Neutron" en mayo. Su descubrimiento del neutrón fue un hito en la comprensión del núcleo. Leyendo el artículo de Chadwick, Robert Bacher y Edward Condon se dieron cuenta de que las anomalías en la teoría entonces actual, como el spin del nitrógeno, se resolverían si el neutrón tiene un spin de 1/2 y que un núcleo de nitrógeno consistía en siete protones y siete neutrones.
Los físicos teóricos Niels Bohr y Werner Heisenberg consideraron si el neutrón podría ser una partícula nuclear fundamental como el protón y el electrón, en lugar de un par protón-electrón. Heisenberg demostró que el neutrón se describía mejor como una nueva partícula nuclear, pero su naturaleza exacta seguía siendo poco clara. En su Conferencia Bakerian de 1933, Chadwick estimó que un neutrón tenía una masa de aproximadamente 1.0067 u. Como un protón y un electrón tenían una masa combinada de 1.0078 u, esto implicaba el neutrón como un compuesto protón-electrón tenía una energía de ligadura de aproximadamente 2 MeV, lo cual sonaba razonable, aunque era difícil de entender cómo una partícula con tan poca energía de ligadura podría ser estable. Estimar una diferencia de masa tan pequeña requería mediciones precisas desafiantes, sin embargo, y se obtuvieron varios resultados conflictivos en 1933-4. Al bombardear boro con partículas alfa, Frédéric e Irène Joliot-Curie obtuvieron un valor grande para la masa de un neutrón, pero el equipo de Ernest Lawrence en la University of California produjo uno pequeño. Entonces Maurice Goldhaber, un refugiado de la Alemania Nazi y estudiante de postgrado en el Cavendish Laboratory, sugirió a Chadwick que los deuterones podrían ser fotodisintegrados por los rayos gamma de 2.6 MeV de 208Tl (entonces conocido como thorium C"):
2 1D + γ → 1 1H + n
Un valor preciso para la masa del neutrón podría ser determinado a partir de este proceso. Chadwick y Goldhaber probaron esto y encontraron que funcionaba. Midieron la energía cinética del protón producido como 1.05 MeV, dejando la masa del neutrón como la incógnita en la ecuación. Chadwick y Goldhaber calcularon que era 1.0084 o 1.0090 unidades atómicas, dependiendo de los valores
