Temo che i neutroni non saranno di alcuna utilità per nessuno.
Sir James Chadwick era un fisico britannico a cui è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica del 1935 per la sua scoperta del neutrone nel 1932. Nel 1941, scrisse la bozza finale del Rapporto MAUD, che ispirò il governo degli Stati Uniti a iniziare seri sforzi di ricerca sulla bomba atomica. Era il capo del team britannico che ha lavorato al Progetto Manhattan durante la Seconda Guerra Mondiale. È stato insignito del titolo di cavaliere in Britannia nel 1945 per i suoi risultati in fisica.
Chadwick si è laureato alla Victoria University of Manchester nel 1911, dove ha studiato sotto Ernest Rutherford noto come il "padre della fisica nucleare". A Manchester, ha continuato a studiare sotto Rutherford fino a quando non ha ottenuto il suo MSc nel 1913. Lo stesso anno, Chadwick ha ricevuto una Borsa di Ricerca 1851 dalla Royal Commission for the Exhibition of 1851. Ha scelto di studiare la radiazione beta sotto Hans Geiger a Berlino. Utilizzando il contatore Geiger di recente sviluppo di Geiger, Chadwick è stato in grado di dimostrare che la radiazione beta ha prodotto uno spettro continuo, e non linee discrete come si era pensato. Ancora in Germania quando la Prima Guerra Mondiale scoppiò in Europa, ha trascorso i successivi quattro anni nel campo di internamento di Ruhleben.
Dopo la guerra, Chadwick ha seguito Rutherford al Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, dove Chadwick ha conseguito il suo dottorato di ricerca sotto la supervisione di Rutherford presso il Gonville and Caius College, Cambridge, nel giugno 1921. È stato l'assistente direttore della ricerca di Rutherford al Cavendish Laboratory per oltre un decennio in un periodo in cui era uno dei principali centri mondiali per lo studio della fisica, attirando studenti come John Cockcroft, Norman Feather e Mark Oliphant. Chadwick ha seguito la sua scoperta del neutrone misurando la sua massa. Aveva anticipato che i neutroni sarebbero diventati un'arma importante nella lotta contro il cancro. Chadwick ha lasciato il Cavendish Laboratory nel 1935 per diventare professore di fisica all'Università di Liverpool, dove ha rinnovato un laboratorio antiquato e, installando un ciclotrone, lo ha reso un importante centro per lo studio della fisica nucleare.
Durante la Seconda Guerra Mondiale, Chadwick ha condotto ricerche come parte del progetto Tube Alloys per costruire una bomba atomica, mentre il suo laboratorio di Manchester e i dintorni sono stati molestati dai bombardamenti della Luftwaffe. Quando l'Accordo di Quebec ha unito il suo progetto al Manhattan Project americano, è diventato parte della Missione Britannica e ha lavorato presso il Los Alamos Laboratory e a Washington, D.C. Ha sorpreso tutti guadagnando la fiducia quasi completa del direttore del progetto Leslie R. Groves, Jr. Per i suoi sforzi, Chadwick ha ricevuto un titolo di cavaliere negli Onori di Capodanno il 1 gennaio 1945. Nel luglio 1945, ha assistito al test nucleare Trinity. Dopo questo, ha servito come consigliere scientifico britannico della Commissione delle Nazioni Unite per l'Energia Atomica. Scomodo con la tendenza verso la Big Science, Chadwick è diventato Master del Gonville and Caius College nel 1948. Si è ritirato nel 1959.
Educazione e primi anni
James Chadwick è nato a Bollington, Cheshire, il 20 ottobre 1891, il primo figlio di John Joseph Chadwick, un filatore di cotone, e Anne Mary Knowles, una domestica. È stato chiamato James dopo suo nonno paterno. Nel 1895, i suoi genitori si trasferirono a Manchester, lasciandolo nelle cure dei suoi nonni materni. Ha frequentato la Bollington Cross Primary School, e gli è stata offerta una borsa di studio alla Manchester Grammar School, che la sua famiglia ha dovuto rifiutare perché non potevano permettersi le piccole tasse che dovevano ancora essere pagate. Invece ha frequentato la Central Grammar School for Boys a Manchester, riunendosi ai suoi genitori lì. Ora aveva due fratelli più giovani, Harry e Hubert; una sorella era morta in infanzia. All'età di 16 anni, ha sostenuto due esami per borse di studio universitarie e ha vinto entrambi.
Chadwick ha scelto di frequentare la Victoria University of Manchester, che ha iniziato nel 1908. Intendeva studiare matematica, ma si è iscritto in fisica per errore. Come la maggior parte degli studenti, viveva a casa, camminando 4 miglia 6,4 km verso l'università e ritorno ogni giorno. Alla fine del suo primo anno, gli è stata assegnata una borsa di studio Heginbottom per studiare fisica. Il dipartimento di fisica era diretto da Ernest Rutherford, che assegnava progetti di ricerca agli studenti dell'ultimo anno, e istruì Chadwick di ideare un mezzo per confrontare la quantità di energia radioattiva di due diverse fonti. L'idea era che potessero essere misurate in termini di attività di 1 grammo 0,035 oz di radio, un'unità di misura che sarebbe diventata nota come il curie. L'approccio suggerito da Rutherford era inattuabile—cosa che Chadwick sapeva ma aveva paura di dire a Rutherford—così Chadwick ha proseguito e alla fine ha ideato il metodo richiesto. I risultati divennero il primo articolo di Chadwick, co-autore con Rutherford, pubblicato nel 1912. Si è laureato con onori di prima classe nel 1911.
Avendo ideato un mezzo per misurare la radiazione gamma, Chadwick ha proceduto a misurare l'assorbimento dei raggi gamma da vari gas e liquidi. Questa volta l'articolo risultante è stato pubblicato con il suo nome solo. Ha ricevuto il suo Master of Science MSc nel 1912 ed è stato nominato Beyer Fellow. L'anno seguente gli è stata assegnata una borsa di studio 1851 Exhibition, che gli ha permesso di studiare e ricercare presso un'università nell'Europa continentale. Ha scelto di andare al Physikalisch-Technische Reichsanstalt a Berlino nel 1913, per studiare la radiazione beta sotto Hans Geiger. Utilizzando il contatore Geiger di recente sviluppo di Geiger, che forniva maggiore accuratezza rispetto alle precedenti tecniche fotografiche, è stato in grado di dimostrare che la radiazione beta non ha prodotto linee discrete, come si era precedentemente pensato, ma piuttosto uno spettro continuo con picchi in determinate regioni. In una visita al laboratorio di Geiger, Albert Einstein ha detto a Chadwick: "Posso spiegare una di queste cose, ma non posso spiegarle entrambe allo stesso tempo." Lo spettro continuo sarebbe rimasto un fenomeno inspiegato per molti anni.
Chadwick era ancora in Germania all'inizio della Prima Guerra Mondiale ed è stato internato nel campo di internamento di Ruhleben vicino a Berlino, dove gli è stato permesso di allestire un laboratorio nelle scuderie e condurre esperimenti scientifici utilizzando materiali improvvisati come il dentifricio radioattivo. Con l'aiuto di Charles Drummond Ellis, ha lavorato sull'ionizzazione del fosforo e sulla reazione fotochimmica del monossido di carbonio e del cloro. È stato rilasciato dopo l'Armistizio con la Germania entrato in vigore nel novembre 1918 e è tornato a casa dei suoi genitori a Manchester, dove ha scritto i suoi risultati dei precedenti quattro anni per i commissari della 1851 Exhibition.
Rutherford ha dato a Chadwick una posizione di insegnamento part-time a Manchester, permettendogli di continuare la ricerca. Ha osservato la carica nucleare del platino, dell'argento e del rame, e ha trovato sperimentalmente che questa era la stessa del numero atomico entro un errore di meno dell'1,5 per cento. Nell'aprile 1919, Rutherford divenne direttore del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, e Chadwick si unì a lui lì alcuni mesi dopo. Chadwick ha ricevuto una borsa di studio Clerk-Maxwell nel 1920 e si è iscritto come studente di dottorato presso il Gonville and Caius College, Cambridge. La prima metà della sua tesi era il suo lavoro con i numeri atomici. Nella seconda, ha osservato le forze all'interno del nucleo. Il suo titolo è stato assegnato nel giugno 1921. Nel novembre, è diventato un membro del Gonville and Caius College.
Ricercatore
Cambridge
La borsa di studio Clerk-Maxwell di Chadwick è scaduta nel 1923 ed è stato sostituito dal fisico russo Pyotr Kapitza. Il Presidente del Consiglio Consultivo del Dipartimento di Ricerca Scientifica e Industriale, Sir William McCormick, ha organizzato affinché Chadwick diventasse assistente direttore della ricerca di Rutherford. In questo ruolo, Chadwick ha aiutato Rutherford a selezionare gli studenti di dottorato. Nei prossimi anni questi includerebbero John Cockcroft, Norman Feather e Mark Oliphant, che sarebbero diventati amici fedeli di Chadwick. Poiché molti studenti non avevano idea di cosa volessero ricercare, Rutherford e Chadwick suggerivano argomenti. Chadwick ha modificato tutti i documenti prodotti dal laboratorio.
Nel 1925, Chadwick ha incontrato Aileen Stewart-Brown, la figlia di un agente di borsa di Liverpool. I due si sono sposati nell'agosto 1925, con Kapitza come testimone. La coppia ebbe due figlie gemelle, Joanna e Judith, nate nel febbraio 1927.
Nella sua ricerca, Chadwick ha continuato a sondare il nucleo. Nel 1925, il concetto di spin aveva permesso ai fisici di spiegare l'effetto Zeeman, ma ha anche creato anomalie inspiegabili. All'epoca si credeva che il nucleo fosse costituito da protoni ed elettroni, quindi il nucleo dell'azoto, ad esempio, con un numero di massa di 14, si presumeva contenesse 14 protoni e 7 elettroni. Questo gli ha dato la massa e la carica corrette, ma lo spin sbagliato.
In una conferenza a Cambridge sulle particelle beta e i raggi gamma nel 1928, Chadwick ha incontrato di nuovo Geiger. Geiger aveva portato con sé un nuovo modello del suo contatore Geiger, che era stato migliorato dal suo studente post-dottorato Walther Müller. Chadwick non ne aveva usato uno dalla guerra, e il nuovo contatore Geiger-Müller era potenzialmente un grande miglioramento rispetto alle tecniche di scintillazione allora in uso a Cambridge, che si basavano sull'occhio umano per l'osservazione. Il principale svantaggio era che rilevava radiazioni alfa, beta e gamma, e il radio, che il laboratorio Cavendish normalmente utilizzava nei suoi esperimenti, emetteva tutti e tre, e quindi era inadatto per quello che Chadwick aveva in mente. Tuttavia, il polonio è un emettitore alfa, e Lise Meitner ha inviato a Chadwick circa 2 millicurie circa 0,5 μg dalla Germania.
In Germania, Walther Bothe e il suo studente Herbert Becker avevano usato il polonio per bombardare il berillio con particelle alfa, producendo una forma insolita di radiazione. Chadwick aveva il suo studioso australiano della 1851 Exhibition, Hugh Webster, duplicare i loro risultati. Per Chadwick, questa era la prova di qualcosa che lui e Rutherford erano stati ipotizzando per anni: il neutrone, una particella nucleare teorica senza carica elettrica. Poi nel gennaio 1932, Feather attirò l'attenzione di Chadwick su un altro risultato sorprendente. Frédéric e Irène Joliot-Curie erano riusciti a espellere protoni dalla paraffina utilizzando il polonio e il berillio come fonte per quella che credevano fosse radiazione gamma. Rutherford e Chadwick non erano d'accordo; i protoni erano troppo pesanti per quello. Ma i neutroni avrebbero bisogno solo di una piccola quantità di energia per ottenere lo stesso effetto. A Roma, Ettore Majorana è arrivato alla stessa conclusione: i Joliot-Curie avevano scoperto il neutrone ma non lo sapevano.
Chadwick ha abbandonato tutte le sue altre responsabilità per concentrarsi sulla prova dell'esistenza del neutrone, assistito da Feather e spesso lavorando fino a tardi la notte. Ha ideato un semplice apparato che consisteva in un cilindro contenente una fonte di polonio e un bersaglio di berillio. La radiazione risultante potrebbe quindi essere diretta verso un materiale come la paraffina; le particelle spostate, che erano protoni, entrerebbero in una piccola camera di ionizzazione dove potevano essere rilevate con un oscilloscopio. Nel febbraio 1932, dopo soli circa due settimane di sperimentazione con neutroni, Chadwick ha inviato una lettera a Nature intitolata "Possibile Esistenza di un Neutrone". Ha comunicato i suoi risultati in dettaglio in un articolo inviato a Proceedings of the Royal Society A intitolato "L'Esistenza di un Neutrone" nel maggio. La sua scoperta del neutrone è stata una pietra miliare nella comprensione del nucleo. Leggendo l'articolo di Chadwick, Robert Bacher e Edward Condon hanno capito che le anomalie nella teoria allora attuale, come lo spin dell'azoto, sarebbero state risolte se il neutrone ha uno spin di 1/2 e che il nucleo dell'azoto era costituito da sette protoni e sette neutroni.
I fisici teorici Niels Bohr e Werner Heisenberg hanno considerato se il neutrone potesse essere una particella nucleare fondamentale come il protone e l'elettrone, piuttosto che una coppia protone-elettrone. Heisenberg ha dimostrato che il neutrone era meglio descritto come una nuova particella nucleare, ma la sua natura esatta rimase poco chiara. Nella sua Lezione Bakeriana del 1933, Chadwick ha stimato che un neutrone aveva una massa di circa 1,0067 u. Poiché un protone e un elettrone avevano una massa combinata di 1,0078 u, ciò implicava il neutrone come composito protone-elettrone avesse un'energia di legame di circa 2 MeV, il che suonava ragionevole, anche se era difficile capire come una particella con così poca energia di legame potesse essere stabile. Stimare una differenza di massa così piccola richiedeva misurazioni precise difficili, tuttavia, e diversi risultati conflittuali sono stati ottenuti nel 1933-4. Bombardando il boro con particelle alfa, Frédéric e Irène Joliot-Curie hanno ottenuto un valore grande per la massa di un neutrone, ma il team di Ernest Lawrence dell'Università della California ne ha prodotto uno piccolo. Quindi Maurice Goldhaber, un rifugiato dalla Germania nazista e uno studente laureato al Cavendish Laboratory, ha suggerito a Chadwick che i deuteroni potrebbero essere fotodisintegrati dai raggi gamma da 2,6 MeV di 208Tl (allora noto come thorium C"):
2 1D + γ → 1 1H + n
Un valore accurato per la massa del neutrone potrebbe essere determinato da questo processo. Chadwick e Goldhaber hanno provato questo e hanno scoperto che ha funzionato. Hanno misurato l'energia cinetica del protone prodotto come 1,05 MeV, lasciando la massa del neutrone come l'incognita nell'equazione. Chadwick e Goldhaber hanno calcolato che era 1,0084 o 1,0090 unità atomiche, a seconda dei valori
