Tenho medo de que os nêutrons não serão de qualquer utilidade para ninguém.
Sir James Chadwick foi um físico britânico que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1935 pela sua descoberta do nêutron em 1932. Em 1941, ele escreveu o rascunho final do MAUD Report, que inspirou o governo dos EUA a iniciar sérios esforços de pesquisa de bomba atômica. Ele foi o chefe da equipe britânica que trabalhou no Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial. Ele foi nomeado cavaleiro na Grã-Bretanha em 1945 por suas realizações em física.
Chadwick se formou na Victoria University of Manchester em 1911, onde estudou sob Ernest Rutherford, conhecido como o "pai da física nuclear". Em Manchester, continuou a estudar sob Rutherford até receber seu MSc em 1913. No mesmo ano, Chadwick recebeu uma Bolsa de Pesquisa de 1851 da Royal Commission for the Exhibition of 1851. Ele optou por estudar radiação beta sob Hans Geiger em Berlin. Usando o recém-desenvolvido contador de Geiger, Chadwick foi capaz de demonstrar que a radiação beta produzia um espectro contínuo, e não linhas discretas como se pensava. Ainda na Alemanha quando a Primeira Guerra Mundial eclodiu na Europa, ele passou os próximos quatro anos no campo de internamento de Ruhleben.
Após a guerra, Chadwick seguiu Rutherford para o Cavendish Laboratory da Universidade de Cambridge, onde Chadwick obteve seu título de Doctor of Philosophy sob a supervisão de Rutherford do Gonville and Caius College, Cambridge, em junho de 1921. Ele foi assistente diretor de pesquisa de Rutherford no Cavendish Laboratory por mais de uma década, numa época em que era um dos principais centros mundiais para o estudo de física, atraindo alunos como John Cockcroft, Norman Feather e Mark Oliphant. Chadwick seguiu sua descoberta do nêutron medindo sua massa. Ele antecipou que os nêutrons se tornariam uma arma importante na luta contra o câncer. Chadwick deixou o Cavendish Laboratory em 1935 para se tornar professor de física na Universidade de Liverpool, onde reformulou um laboratório antiquado e, ao instalar um cíclotron, o tornou um importante centro para o estudo de física nuclear.
Durante a Segunda Guerra Mundial, Chadwick realizou pesquisas como parte do projeto Tube Alloys para construir uma bomba atômica, enquanto seu laboratório em Manchester e arredores eram assediados por bombardeios da Luftwaffe. Quando o Quebec Agreement mesclou seu projeto com o Projeto Manhattan americano, ele se tornou parte da Missão Britânica e trabalhou no Los Alamos Laboratory e em Washington, D.C. Ele surpreendeu a todos ao conquistar a confiança quase completa do diretor do projeto Leslie R. Groves, Jr. Por seus esforços, Chadwick recebeu um título de cavaleiro nas New Year Honours em 1 de janeiro de 1945. Em julho de 1945, ele assistiu ao teste nuclear Trinity. Depois disso, serviu como conselheiro científico britânico da Comissão de Energia Atômica das Nações Unidas. Desconfortável com a tendência em direção à Big Science, Chadwick se tornou Master do Gonville and Caius College em 1948. Ele se aposentou em 1959.
Educação e primeiros anos de vida
James Chadwick nasceu em Bollington, Cheshire, em 20 de outubro de 1891, o primeiro filho de John Joseph Chadwick, um fabricante de algodão, e Anne Mary Knowles, uma empregada doméstica. Ele foi nomeado James em homenagem ao seu avó paterno. Em 1895, seus pais se mudaram para Manchester, deixando-o aos cuidados de seus avós maternos. Ele frequentou a Bollington Cross Primary School e recebeu uma bolsa para a Manchester Grammar School, que sua família teve que recusar pois não podiam pagar as pequenas taxas que ainda eram devidas. Em vez disso, frequentou a Central Grammar School for Boys em Manchester, reunindo-se com seus pais lá. Agora tinha dois irmãos mais jovens, Harry e Hubert; uma irmã havia morrido na infância. Aos 16 anos, fez dois exames para bolsas de universidade e ganhou ambos.
Chadwick escolheu frequentar a Victoria University of Manchester, que entrou em 1908. Pretendia estudar matemática, mas se matriculou em física por engano. Como a maioria dos alunos, ele morava em casa, caminhando os 4 milhas 6,4 km para a universidade e de volta cada dia. Ao final de seu primeiro ano, ele recebeu uma Bolsa Heginbottom para estudar física. O departamento de física era chefiado por Ernest Rutherford, que atribuía projetos de pesquisa a alunos de último ano, e instruiu Chadwick a inventar um meio de comparar a quantidade de energia radioativa de duas fontes diferentes. A ideia era que pudessem ser medidas em termos da atividade de 1 grama 0,035 oz de rádio, uma unidade de medida que se tornou conhecida como o curie. A abordagem sugerida por Rutherford não funcionava—algo que Chadwick sabia mas tinha medo de dizer a Rutherford—então Chadwick continuou, e eventualmente inventou o método necessário. Os resultados se tornaram o primeiro artigo de Chadwick, que, co-autoria com Rutherford, foi publicado em 1912. Ele se graduou com honra de primeira classe em 1911.
Depois de inventar um meio de medir radiação gama, Chadwick procedeu a medir a absorção de raios gama por vários gases e líquidos. Desta vez o artigo resultante foi publicado apenas com seu nome. Ele recebeu seu diploma de Master of Science MSc em 1912 e foi nomeado Beyer Fellow. No ano seguinte, recebeu uma Bolsa 1851 Exhibition, que lhe permitiu estudar e pesquisar em uma universidade na Europa continental. Ele optou por ir ao Physikalisch-Technische Reichsanstalt em Berlin em 1913, para estudar radiação beta sob Hans Geiger. Usando o recém-desenvolvido contador de Geiger de Geiger, que proporcionou mais precisão do que as técnicas fotográficas anteriores, ele foi capaz de demonstrar que a radiação beta não produzia linhas discretas, como se pensava anteriormente, mas sim um espectro contínuo com picos em certas regiões. Durante uma visita ao laboratório de Geiger, Albert Einstein disse a Chadwick: "Posso explicar qualquer uma dessas coisas, mas não posso explicá-las as duas ao mesmo tempo." O espectro contínuo permaneceria um fenômeno inexplicado por muitos anos.
Chadwick ainda estava na Alemanha no início da Primeira Guerra Mundial e foi internado no campo de internamento de Ruhleben perto de Berlin, onde lhe foi permitido montar um laboratório nos estábulos e conduzir experimentos científicos usando materiais improvisados, como pasta de dente radioativa. Com a ajuda de Charles Drummond Ellis, ele trabalhou na ionização do fósforo e na reação fotoquímica do monóxido de carbono e cloro. Ele foi libertado após o Armistício com a Alemanha entrar em vigor em novembro de 1918, e retornou à casa de seus pais em Manchester, onde escreveu seus achados durante os quatro anos anteriores para os comissários da 1851 Exhibition.
Rutherford deu a Chadwick uma posição de ensino em tempo parcial em Manchester, permitindo-lhe continuar a pesquisa. Ele examinou a carga nuclear de platina, prata e cobre, e descobriu experimentalmente que isso era o mesmo que o número atômico dentro de um erro de menos de 1,5 por cento. Em abril de 1919, Rutherford se tornou diretor do Cavendish Laboratory da Universidade de Cambridge, e Chadwick se juntou a ele alguns meses depois. Chadwick recebeu uma bolsa Clerk-Maxwell em 1920 e se matriculou como aluno de Doctor of Philosophy PhD no Gonville and Caius College, Cambridge. A primeira metade de sua tese foi seu trabalho com números atômicos. Na segunda, ele examinou as forças dentro do núcleo. Seu diploma foi concedido em junho de 1921. Em novembro, ele se tornou Fellow do Gonville and Caius College.
Pesquisador
Cambridge
A bolsa Clerk-Maxwell de Chadwick expirou em 1923, e foi sucedido pelo físico russo Pyotr Kapitza. O presidente do Advisory Council do Department of Scientific and Industrial Research, Sir William McCormick, providenciou para que Chadwick se tornasse assistente diretor de pesquisa de Rutherford. Nesse papel, Chadwick ajudou Rutherford a selecionar alunos de PhD. Nos próximos anos, estes incluiriam John Cockcroft, Norman Feather e Mark Oliphant, que se tornaram amigos próximos de Chadwick. Como muitos alunos não tinham ideia do que queriam pesquisar, Rutherford e Chadwick sugeriam tópicos. Chadwick editou todos os artigos produzidos pelo laboratório.
Em 1925, Chadwick conheceu Aileen Stewart-Brown, filha de um corretor de bolsa de Liverpool. Os dois se casaram em agosto de 1925, com Kapitza como padrinho. O casal teve gêmeas, Joanna e Judith, que nasceram em fevereiro de 1927.
Em sua pesquisa, Chadwick continuou sondando o núcleo. Em 1925, o conceito de spin permitiu aos físicos explicar o efeito Zeeman, mas também criou anomalias inexplicadas. Na época, acreditava-se que o núcleo consistia de prótons e elétrons, portanto o núcleo do nitrogênio, por exemplo, com número de massa 14, era assumido conter 14 prótons e 7 elétrons. Isso lhe deu a massa e carga corretas, mas o spin errado.
Em uma conferência em Cambridge sobre partículas beta e raios gama em 1928, Chadwick conheceu Geiger novamente. Geiger havia trazido consigo um novo modelo de seu contador de Geiger, que havia sido melhorado por seu aluno pós-doutoral Walther Müller. Chadwick não havia usado um desde a guerra, e o novo contador de Geiger-Müller era potencialmente uma melhoria importante sobre as técnicas de cintilação então em uso em Cambridge, que dependiam do olho humano para observação. A principal desvantagem era que detectava radiação alfa, beta e gama, e o rádio, que o laboratório Cavendish normalmente usava em seus experimentos, emitia todos os três, e portanto era inadequado para o que Chadwick tinha em mente. No entanto, o polônio é um emissor alfa, e Lise Meitner enviou a Chadwick cerca de 2 milicuries cerca de 0,5 μg da Alemanha.
Na Alemanha, Walther Bothe e seu aluno Herbert Becker haviam usado polônio para bombardear berílio com partículas alfa, produzindo uma forma incomum de radiação. Chadwick tinha seu bolsista australiano de 1851 Exhibition, Hugh Webster, duplicar seus resultados. Para Chadwick, isso era evidência de algo que ele e Rutherford haviam estado hipotetizando por anos: o nêutron, uma partícula nuclear teórica sem carga elétrica. Então em janeiro de 1932, Feather chamou a atenção de Chadwick para outro resultado surpreendente. Frédéric e Irène Joliot-Curie conseguiram bater prótons da parafina usando polônio e berílio como fonte do que pensavam ser radiação gama. Rutherford e Chadwick discordaram; prótons eram muito pesados para isso. Mas nêutrons precisariam apenas de uma pequena quantidade de energia para atingir o mesmo efeito. Em Roma, Ettore Majorana chegou à mesma conclusão: os Joliot-Curies haviam descoberto o nêutron mas não sabiam.
Chadwick abandonou todas as suas outras responsabilidades para se concentrar em provar a existência do nêutron, assistido por Feather e frequentemente trabalhando até tarde da noite. Ele inventou um aparato simples que consistia de um cilindro contendo uma fonte de polônio e alvo de berílio. A radiação resultante poderia então ser direcionada para um material como parafina; as partículas deslocadas, que eram prótons, iriam para uma pequena câmara de ionização onde pudessem ser detectadas com um osciloscópio. Em fevereiro de 1932, após apenas cerca de duas semanas de experimentação com nêutrons, Chadwick enviou uma carta para Nature intitulada "Possible Existence of a Neutron". Ele comunicou suas descobertas em detalhes em um artigo enviado para Proceedings of the Royal Society A intitulado "The Existence of a Neutron" em maio. Sua descoberta do nêutron foi um marco na compreensão do núcleo. Lendo o artigo de Chadwick, Robert Bacher e Edward Condon perceberam que anomalias na teoria então atual, como o spin do nitrogênio, seriam resolvidas se o nêutron tivesse um spin de 1/2 e que um núcleo de nitrogênio consistisse de sete prótons e sete nêutrons.
Os físicos teóricos Niels Bohr e Werner Heisenberg consideraram se o nêutron poderia ser uma partícula nuclear fundamental como o próton e elétron, em vez de um par próton-elétron. Heisenberg mostrou que o nêutron era melhor descrito como uma nova partícula nuclear, mas sua natureza exata permanecia obscura. Em sua Bakerian Lecture de 1933, Chadwick estimou que um nêutron tinha uma massa de cerca de 1,0067 u. Uma vez que um próton e um elétron tinham uma massa combinada de 1,0078 u, isso implicava o nêutron como um composto próton-elétron tinha uma energia de ligação de cerca de 2 MeV, o que soava razoável, embora fosse difícil entender como uma partícula com tão pouca energia de ligação poderia ser estável. Estimar tal diferença de massa pequena exigia medições precisas desafiadoras, no entanto, e vários resultados conflitantes foram obtidos em 1933–4. Ao bombardear boro com partículas alfa, Frédéric e Irène Joliot-Curie obtiveram um grande valor para a massa de um nêutron, mas a equipe de Ernest Lawrence na Universidade da Califórnia produziu um pequeno. Então Maurice Goldhaber, um refugiado da Alemanha nazista e aluno de graduação no Cavendish Laboratory, sugeriu a Chadwick que deutérons pudessem ser fotodisintegrados pelos raios gama de 2,6 MeV de 208Tl (então conhecido como thorium C"):
2 1D + γ → 1 1H + n
Um valor preciso para a massa do nêutron poderia ser determinado a partir deste processo. Chadwick e Goldhaber tentaram isso e descobriram que funcionava. Eles mediram a energia cinética do próton produzido como 1,05 MeV, deixando a massa do nêutron como a incógnita na equação. Chadwick e Goldhaber calcularam que era 1,0084 ou 1,0090 unidades atômicas, dependendo dos valores
