Je crains que les neutrons ne soient d'aucune utilité pour quiconque.
Sir James Chadwick était un physicien britannique qui a reçu le prix Nobel de physique de 1935 pour sa découverte du neutron en 1932. En 1941, il a rédigé le projet final du rapport MAUD, qui a incité le gouvernement américain à entreprendre des efforts sérieux de recherche sur les bombes atomiques. Il était le chef de l'équipe britannique qui a travaillé sur le Projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale. Il a été anobli en Bretagne en 1945 pour ses réalisations en physique.
Chadwick a obtenu son diplôme de la Victoria University of Manchester en 1911, où il a étudié sous la direction d'Ernest Rutherford, connu sous le nom de « père de la physique nucléaire ». À Manchester, il a continué ses études sous la direction de Rutherford jusqu'à l'obtention de sa maîtrise en 1913. La même année, Chadwick a reçu une bourse de recherche de 1851 de la Commission royale pour l'Exposition de 1851. Il a choisi d'étudier la radioactivité bêta sous la direction de Hans Geiger à Berlin. En utilisant le compteur Geiger récemment développé par Geiger, Chadwick a pu démontrer que la radioactivité bêta produisait un spectre continu, et non des raies discrètes comme on l'avait pensé. Toujours en Allemagne quand la Première Guerre mondiale a éclaté en Europe, il a passé les quatre années suivantes au camp d'internement de Ruhleben.
Après la guerre, Chadwick a suivi Rutherford au Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge, où Chadwick a obtenu son diplôme de Docteur en philosophie sous la supervision de Rutherford du Gonville and Caius College, Cambridge, en juin 1921. Il a été directeur adjoint de la recherche de Rutherford au Cavendish Laboratory pendant plus d'une décennie, à une époque où c'était l'un des centres d'étude de la physique les plus importants du monde, attirant des étudiants comme John Cockcroft, Norman Feather et Mark Oliphant. Chadwick a suivi sa découverte du neutron en mesurant sa masse. Il anticipait que les neutrons deviendraient une arme majeure dans la lutte contre le cancer. Chadwick a quitté le Cavendish Laboratory en 1935 pour devenir professeur de physique à l'Université de Liverpool, où il a rénové un laboratoire dépassé et, en installant un cyclotron, en a fait un centre important pour l'étude de la physique nucléaire.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Chadwick a mené des recherches dans le cadre du projet Tube Alloys pour construire une bombe atomique, tandis que son laboratoire de Manchester et ses environs ont été harcelés par les bombardements de la Luftwaffe. Lorsque l'Accord de Québec a fusionné son projet avec le Projet Manhattan américain, il a fait partie de la Mission britannique et a travaillé au Los Alamos Laboratory et à Washington, D.C. Il a surpris tout le monde en gagnant la confiance presque complète du directeur du projet Leslie R. Groves, Jr. Pour ses efforts, Chadwick a reçu une chevalerie dans les honneurs du Nouvel An le 1er janvier 1945. En juillet 1945, il a assisté à l'essai nucléaire Trinity. Après cela, il a servi en tant que conseiller scientifique britannique auprès de la Commission de l'énergie atomique des Nations unies. Mal à l'aise avec la tendance vers la Big Science, Chadwick est devenu Maître du Gonville and Caius College en 1948. Il a pris sa retraite en 1959.
Éducation et débuts
James Chadwick est né à Bollington, Cheshire, le 20 octobre 1891, premier enfant de John Joseph Chadwick, filateur de coton, et d'Anne Mary Knowles, domestique. Il a reçu le nom de James d'après son grand-père paternel. En 1895, ses parents ont déménagé à Manchester, le laissant aux soins de ses grands-parents maternels. Il a fréquenté la Bollington Cross Primary School et a reçu une bourse pour la Manchester Grammar School, que sa famille a dû refuser car elle ne pouvait pas se permettre les petits frais qui devaient encore être payés. À la place, il a fréquenté la Central Grammar School for Boys à Manchester, retrouvant ses parents là-bas. Il avait maintenant deux frères cadets, Harry et Hubert ; une sœur était décédée en bas âge. À l'âge de 16 ans, il a passé deux examens pour des bourses universitaires et en a remporté deux.
Chadwick a choisi de fréquenter la Victoria University of Manchester, qu'il a intégrée en 1908. Il avait l'intention d'étudier les mathématiques, mais s'est inscrit en physique par erreur. Comme la plupart des étudiants, il vivait à la maison, marchant 4 miles 6,4 km jusqu'à l'université et retour chaque jour. À la fin de sa première année, il a reçu une Heginbottom Scholarship pour étudier la physique. Le département de physique était dirigé par Ernest Rutherford, qui assignait des projets de recherche aux étudiants de dernière année, et il a ordonné à Chadwick de concevoir un moyen de comparer la quantité d'énergie radioactive de deux sources différentes. L'idée était qu'elles pourraient être mesurées en fonction de l'activité de 1 gramme 0,035 oz de radium, une unité de mesure qui deviendrait connue sous le nom de curie. L'approche suggérée par Rutherford était impraticable—quelque chose que Chadwick savait mais avait peur de dire à Rutherford—alors Chadwick a persévéré et a finalement mis au point la méthode requise. Les résultats sont devenus le premier article de Chadwick, co-écrit avec Rutherford, publié en 1912. Il a obtenu son diplôme avec les honneurs de première classe en 1911.
Ayant mis au point un moyen de mesurer la radioactivité gamma, Chadwick a procédé à la mesure de l'absorption des rayons gamma par différents gaz et liquides. Cette fois, l'article résultant a été publié sous son nom seul. Il a reçu son diplôme de Master of Science (MSc) en 1912 et a été nommé Beyer Fellow. L'année suivante, il a reçu une bourse 1851 Exhibition Scholarship, qui lui a permis d'étudier et de faire de la recherche à une université en Europe continentale. Il a choisi d'aller au Physikalisch-Technische Reichsanstalt à Berlin en 1913 pour étudier la radioactivité bêta sous la direction de Hans Geiger. En utilisant le compteur Geiger récemment développé par Geiger, qui offrait plus de précision que les techniques photographiques antérieures, il a pu démontrer que la radioactivité bêta ne produisait pas de raies discrètes, comme on l'avait pensé auparavant, mais plutôt un spectre continu avec des pics dans certaines régions. Lors d'une visite au laboratoire de Geiger, Albert Einstein a dit à Chadwick : « Je peux expliquer l'une ou l'autre de ces choses, mais je ne peux pas les expliquer toutes les deux en même temps. » Le spectre continu resterait un phénomène inexpliqué pendant de nombreuses années.
Chadwick était toujours en Allemagne au début de la Première Guerre mondiale et a été interné au camp d'internement de Ruhleben près de Berlin, où il a pu installer un laboratoire dans les écuries et mener des expériences scientifiques en utilisant des matériaux de fortune tels que du dentifrice radioactif. Avec l'aide de Charles Drummond Ellis, il a travaillé sur l'ionisation du phosphore et la réaction photochimique du monoxyde de carbone et du chlore. Il a été libéré après que l'Armistice avec l'Allemagne soit entré en vigueur en novembre 1918 et est retourné à la maison de ses parents à Manchester, où il a rédigé ses découvertes des quatre années précédentes pour les commissaires de l'1851 Exhibition.
Rutherford a donné à Chadwick un poste d'enseignant à temps partiel à Manchester, lui permettant de poursuivre ses recherches. Il a examiné la charge nucléaire du platine, de l'argent et du cuivre, et a trouvé expérimentalement que celle-ci était la même que le numéro atomique avec une erreur inférieure à 1,5 pour cent. En avril 1919, Rutherford est devenu directeur du Cavendish Laboratory de l'Université de Cambridge, et Chadwick l'a rejoint quelques mois plus tard. Chadwick a reçu une bourse Clerk-Maxwell en 1920 et s'est inscrit comme étudiant en doctorat au Gonville and Caius College, Cambridge. La première moitié de sa thèse portait sur son travail avec les numéros atomiques. Dans la seconde, il a examiné les forces à l'intérieur du noyau. Son diplôme a été accordé en juin 1921. En novembre, il est devenu Fellow du Gonville and Caius College.
Chercheur
Cambridge
La bourse Clerk-Maxwell de Chadwick a expiré en 1923 et il a été remplacé par le physicien russe Pyotr Kapitza. Le président du Conseil consultatif du Département de la recherche scientifique et industrielle, Sir William McCormick, a arrangé pour que Chadwick devienne directeur adjoint de la recherche de Rutherford. Dans ce rôle, Chadwick a aidé Rutherford à sélectionner les doctorants. Au cours des années suivantes, ceux-ci incluraient John Cockcroft, Norman Feather et Mark Oliphant, qui deviendraient des amis proches de Chadwick. Comme de nombreux étudiants n'avaient aucune idée de ce qu'ils voulaient rechercher, Rutherford et Chadwick suggéraient des sujets. Chadwick a édité tous les articles produits par le laboratoire.
En 1925, Chadwick a rencontré Aileen Stewart-Brown, la fille d'un courtier en bourse de Liverpool. Les deux se sont mariés en août 1925, avec Kapitza comme Garçon d'honneur. Le couple a eu des jumelles, Joanna et Judith, nées en février 1927.
Dans sa recherche, Chadwick a continué à sonder le noyau. En 1925, le concept de spin avait permis aux physiciens d'expliquer l'effet Zeeman, mais il a aussi créé des anomalies inexpliquées. À l'époque, on croyait que le noyau était composé de protons et d'électrons, donc le noyau de l'azote, par exemple, avec un nombre de masse de 14, était supposé contenir 14 protons et 7 électrons. Cela lui donnait la bonne masse et charge, mais le mauvais spin.
À une conférence à Cambridge sur les particules bêta et les rayons gamma en 1928, Chadwick a rencontré Geiger à nouveau. Geiger avait apporté avec lui un nouveau modèle de son compteur Geiger, qui avait été amélioré par son étudiant post-doctoral Walther Müller. Chadwick n'en avait pas utilisé depuis la guerre, et le nouveau compteur Geiger–Müller était potentiellement une amélioration majeure par rapport aux techniques de scintillation alors utilisées à Cambridge, qui s'appuyaient sur l'œil humain pour l'observation. Le principal inconvénient était qu'il détectait les rayonnements alpha, bêta et gamma, et le radium, que le laboratoire Cavendish utilisait normalement dans ses expériences, émettait tous les trois et était donc inadapté à ce que Chadwick avait en tête. Cependant, le polonium est un émetteur alpha, et Lise Meitner a envoyé à Chadwick environ 2 millicuries environ 0,5 μg d'Allemagne.
En Allemagne, Walther Bothe et son étudiant Herbert Becker avaient utilisé le polonium pour bombarder le béryllium avec des particules alpha, produisant une forme inhabituellede rayonnement. Chadwick avait son érudit australien de l'1851 Exhibition, Hugh Webster, dupliquer leurs résultats. Pour Chadwick, c'était la preuve de quelque chose qu'il et Rutherford avaient émis l'hypothèse pendant des années : le neutron, une particule nucléaire théorique sans charge électrique. Puis en janvier 1932, Feather a attiré l'attention de Chadwick sur un autre résultat surprenant. Frédéric et Irène Joliot-Curie avaient réussi à extraire des protons de la paraffine en utilisant le polonium et le béryllium comme source de ce qu'ils pensaient être le rayonnement gamma. Rutherford et Chadwick n'étaient pas d'accord ; les protons étaient trop lourds pour cela. Mais les neutrons n'auraient besoin que d'une petite quantité d'énergie pour produire le même effet. À Rome, Ettore Majorana est arrivé à la même conclusion : les Joliot-Curie avaient découvert le neutron mais ne le savaient pas.
Chadwick a abandonné toutes ses autres responsabilités pour se concentrer sur la preuve de l'existence du neutron, aidé par Feather et travaillant fréquemment tard dans la nuit. Il a conçu un appareil simple composé d'un cylindre contenant une source de polonium et une cible de béryllium. Le rayonnement résultant pouvait alors être dirigé vers un matériau tel que la paraffine ; les particules déplacées, qui étaient des protons, entreraient dans une petite chambre d'ionisation où elles pourraient être détectées avec un oscilloscope. En février 1932, après seulement environ deux semaines d'expérimentation avec les neutrons, Chadwick a envoyé une lettre à Nature intitulée « Possible Existence of a Neutron ». Il a communiqué ses découvertes en détail dans un article envoyé à Proceedings of the Royal Society A intitulé « The Existence of a Neutron » en mai. Sa découverte du neutron a été un tournant dans la compréhension du noyau. En lisant l'article de Chadwick, Robert Bacher et Edward Condon ont réalisé que les anomalies dans la théorie actuelle, comme le spin de l'azote, seraient résolues si le neutron avait un spin de 1/2 et qu'un noyau d'azote était composé de sept protons et sept neutrons.
Les physiciens théoriciens Niels Bohr et Werner Heisenberg se sont demandé si le neutron pouvait être une particule nucléaire fondamentale comme le proton et l'électron, plutôt qu'une paire proton-électron. Heisenberg a montré que le neutron était mieux décrit comme une nouvelle particule nucléaire, mais sa nature exacte restait peu claire. Dans sa Bakerian Lecture de 1933, Chadwick a estimé qu'un neutron avait une masse d'environ 1,0067 u. Puisqu'un proton et un électron avaient une masse combinée de 1,0078 u, cela impliquait que le neutron en tant que composite proton-électron avait une énergie de liaison d'environ 2 MeV, ce qui semblait raisonnable, bien qu'il soit difficile de comprendre comment une particule avec si peu d'énergie de liaison pouvait être stable. L'estimation d'une si petite différence de masse nécessitait des mesures précises difficiles, cependant, et plusieurs résultats conflictuels ont été obtenus en 1933-4. En bombardant le bore avec des particules alpha, Frédéric et Irène Joliot-Curie ont obtenu une grande valeur pour la masse d'un neutron, mais l'équipe d'Ernest Lawrence de l'Université de Californie en a produit une petite. Puis Maurice Goldhaber, un réfugié de l'Allemagne nazie et étudiant diplômé au Cavendish Laboratory, a suggéré à Chadwick que les deutérons pourraient être photodésintégrés par les rayons gamma de 2,6 MeV du 208Tl (alors connu sous le nom de thorium C") :
2 1D + γ → 1 1H + n
Une valeur précise pour la masse du neutron pourrait être déterminée à partir de ce processus. Chadwick et Goldhaber ont essayé cela et ont trouvé que cela fonctionnait. Ils ont mesuré l'énergie cinétique du proton produit comme 1,05 MeV, laissant la masse du neutron comme l'inconnue dans l'équation. Chadwick et Goldhaber ont calculé qu'elle était soit 1,0084 soit 1,0090 unités atomiques, en fonction des valeurs
