Я боюсь, что нейтроны не будут полезны никому.
Сэр Джеймс Чедвик был британским физиком, которому была присуждена Нобелевская премия по физике 1935 года за открытие нейтрона в 1932 году. В 1941 году он написал окончательный вариант доклада MAUD, который вдохновил правительство США начать серьёзные исследования в области создания атомной бомбы. Он возглавлял британскую команду, работавшую над Манхэттенским проектом во время Второй мировой войны. Он был посвящён в рыцари в Британии в 1945 году за его достижения в физике.
Чедвик окончил Victoria University of Manchester в 1911 году, где учился под руководством Ernest Rutherford, известного как «отец ядерной физики». В Manchester он продолжал обучаться под руководством Rutherford до получения степени магистра в 1913 году. В том же году Чедвику была присуждена Research Fellowship от Royal Commission for the Exhibition of 1851. Он выбрал изучение бета-радиации под руководством Hans Geiger в Berlin. Используя недавно разработанный счётчик Гейгера, Чедвик смог доказать, что бета-радиация производит непрерывный спектр, а не дискретные линии, как считалось ранее. Будучи ещё в Германии, когда началась Первая мировая война в Европе, он провёл следующие четыре года в интернационном лагере Ruhleben.
После войны Чедвик последовал за Rutherford в лабораторию Cavendish при University of Cambridge, где Чедвик получил степень доктора философии под руководством Rutherford в Gonville and Caius College, Cambridge, в июне 1921 года. Он был помощником директора исследований Rutherford в лаборатории Cavendish более десяти лет в то время, когда это был один из ведущих мировых центров по изучению физики, привлекавший студентов, таких как John Cockcroft, Norman Feather и Mark Oliphant. Чедвик последовал за открытием нейтрона, измерив его массу. Он предполагал, что нейтроны станут основным оружием в борьбе с раком. Чедвик покинул лабораторию Cavendish в 1935 году, чтобы стать профессором физики в University of Liverpool, где он модернизировал устаревшую лабораторию и, установив циклотрон, сделал её важным центром по изучению ядерной физики.
Во время Второй мировой войны Чедвик проводил исследования в рамках проекта Tube Alloys по созданию атомной бомбы, в то время как его лабораторию в Manchester и окрестности подвергались бомбардировкам Люфтваффе. Когда Quebec Agreement объединил его проект с американским Манхэттенским проектом, он стал частью британской миссии и работал в Los Alamos Laboratory и в Washington, D.C. Он удивил всех, заслужив почти полное доверие директора проекта Leslie R. Groves, Jr. За свои усилия Чедвик получил рыцарское звание в New Year Honours 1 января 1945 года. В июле 1945 года он присутствовал при ядерном испытании Trinity. После этого он служил научным советником Британии при Комиссии ООН по атомной энергии. Неудовлетворённый тенденцией к Big Science, Чедвик стал Master of Gonville and Caius College в 1948 году. Он вышел на пенсию в 1959 году.
Образование и ранняя жизнь
Джеймс Чедвик родился в Bollington, Cheshire, 20 октября 1891 года, первый ребёнок John Joseph Chadwick, прядильщика хлопка, и Anne Mary Knowles, домашней служанки. Его назвали Джеймсом в честь его деда по отцовской линии. В 1895 году его родители переехали в Manchester, оставив его на попечение бабушки и дедушки по материнской линии. Он учился в Bollington Cross Primary School и получил стипендию в Manchester Grammar School, которую его семья не смогла принять, так как не могла позволить себе небольшую плату, которая всё ещё требовалась. Вместо этого он посещал Central Grammar School for Boys в Manchester, воссоединившись со своими родителями. Теперь у него было два младших брата, Harry и Hubert; сестра умерла в младенчестве. В возрасте 16 лет он сдал два экзамена на стипендию в университет и выиграл обе.
Чедвик выбрал Victoria University of Manchester, который он поступил в 1908 году. Он намеревался изучать математику, но ошибочно поступил на физику. Как и большинство студентов, он жил дома, ежедневно проходя 4 мили 6.4 км до университета и обратно. По окончании первого года обучения ему была присуждена стипендия Heginbottom для изучения физики. Кафедру физики возглавлял Ernest Rutherford, который давал исследовательские проекты студентам старших курсов, и он поручил Чедвику разработать способ сравнения количества радиоактивной энергии двух различных источников. Идея заключалась в том, что их можно было бы измерять в терминах активности 1 грамма 0.035 унции радия, единицы измерения, которая позже стала известна как кюри. Предложенный Rutherford подход был непрактичным — что Чедвик знал, но боялся рассказать Rutherford — поэтому Чедвик продолжил работу и в конце концов разработал требуемый метод. Результаты стали первой статьёй Чедвика, которая, соавторская с Rutherford, была опубликована в 1912 году. Он окончил университет с отличием в 1911 году.
Разработав способ измерения гамма-излучения, Чедвик приступил к измерению поглощения гамма-лучей различными газами и жидкостями. На этот раз полученная статья была опубликована под его собственным именем. Ему была присуждена степень магистра наук в 1912 году, и он был назначен стипендиатом Beyer. На следующий год ему была присуждена стипендия 1851 Exhibition, которая позволила ему учиться и проводить исследования в университете континентальной Европы. Он выбрал поездку в Physikalisch-Technische Reichsanstalt в Berlin в 1913 году для изучения бета-радиации под руководством Hans Geiger. Используя недавно разработанный счётчик Гейгера, который обеспечивал большую точность, чем более ранние фотографические методы, он смог доказать, что бета-радиация не производит дискретные линии, как считалось ранее, а скорее непрерывный спектр с пиками в определённых регионах. При посещении лаборатории Geiger Albert Einstein сказал Чедвику: «Я могу объяснить любое из этих явлений, но я не могу объяснить их оба одновременно». Непрерывный спектр оставался необъяснённым явлением на протяжении многих лет.
Чедвик всё ещё находился в Германии в начале Первой мировой войны и был интернирован в интернационном лагере Ruhleben рядом с Berlin, где ему было разрешено организовать лабораторию в конюшнях и проводить научные эксперименты, используя импровизированные материалы, такие как радиоактивная зубная паста. С помощью Charles Drummond Ellis он работал над ионизацией фосфора и фотохимической реакцией окиси углерода и хлора. Он был освобождён после вступления в силу перемирия с Германией в ноябре 1918 года и вернулся в дом своих родителей в Manchester, где он изложил свои выводы за предыдущие четыре года для комиссионеров 1851 Exhibition.
Rutherford дал Чедвику должность преподавателя неполного рабочего дня в Manchester, позволяя ему продолжить исследования. Он изучал ядерный заряд платины, серебра и меди и экспериментально обнаружил, что это было то же самое, что и атомный номер с ошибкой менее 1.5 процента. В апреле 1919 года Rutherford стал директором лаборатории Cavendish в University of Cambridge, и Чедвик присоединился к нему туда несколько месяцев спустя. Чедвику была присуждена стипендия Clerk-Maxwell в 1920 году, и он поступил как студент-докторант в Gonville and Caius College, Cambridge. Первая половина его диссертации была его работа с атомными номерами. Во второй он рассматривал силы внутри ядра. Его диплом был вручен в июне 1921 года. В ноябре он стал Fellow of Gonville and Caius College.
Исследователь
Cambridge
Стипендия Clerk-Maxwell Чедвика истекла в 1923 году, и его сменил русский физик Pyotr Kapitza. Председатель Advisory Council of the Department of Scientific and Industrial Research сэр William McCormick организовал для Чедвика должность помощника директора исследований Rutherford. В этой роли Чедвик помогал Rutherford выбирать студентов-докторантов. За следующие несколько лет среди них были John Cockcroft, Norman Feather и Mark Oliphant, которые стали близкими друзьями Чедвика. Так как многие студенты не имели представления о том, что они хотели исследовать, Rutherford и Чедвик предлагали темы. Чедвик редактировал все статьи, созданные лабораторией.
В 1925 году Чедвик встретил Aileen Stewart-Brown, дочь ливерпульского биржевого маклера. Двое поженились в августе 1925 года, с Kapitza в роли Best Man. У пары были двойняшки, Joanna и Judith, которые родились в феврале 1927 года.
В своих исследованиях Чедвик продолжал исследовать ядро. В 1925 году концепция спина позволила физикам объяснить эффект Зеемана, но она также создала необъяснённые аномалии. В то время считалось, что ядро состояло из протонов и электронов, поэтому ядро азота, например, с массовым числом 14, предполагалось содержать 14 протонов и 7 электронов. Это дало ему правильные массу и заряд, но неправильный спин.
На конференции в Cambridge по бета-частицам и гамма-лучам в 1928 году Чедвик встретился с Geiger снова. Geiger привез с собой новую модель своего счётчика Гейгера, которая была улучшена его постдокторантом Walther Müller. Чедвик не использовал его с войны, и новый счётчик Гейгера–Мюллера был потенциально значительным улучшением по сравнению с методами сцинтилляции, которые тогда использовались в Cambridge и полагались на человеческий глаз для наблюдения. Основной недостаток заключался в том, что он обнаруживал альфа-, бета- и гамма-излучение, а радий, который обычно использовала лаборатория Cavendish в своих экспериментах, испускал все три, и поэтому был непригоден для того, что Чедвик имел в виду. Однако полоний является излучателем альфа-частиц, и Lise Meitner отправила Чедвику около 2 миллизёри около 0.5 μg из Германии.
В Германии Walther Bothe и его студент Herbert Becker использовали полоний для бомбардировки берилия альфа-частицами, производя необычную форму излучения. Чедвик поручил своему австралийскому стипендиату 1851 Exhibition Hugh Webster повторить их результаты. Для Чедвика это было доказательством чего-то, что он и Rutherford гипотезировали в течение многих лет: нейтрона, теоретической ядерной частицы без электрического заряда. Затем в январе 1932 года Feather обратил внимание Чедвика на другой удивительный результат. Frédéric и Irène Joliot-Curie успешно выбили протоны из парафина, используя полоний и берилий в качестве источника того, что они считали гамма-излучением. Rutherford и Чедвик не согласились; протоны были слишком тяжелыми для этого. Но нейтронам потребуется только небольшое количество энергии для достижения того же эффекта. В Rome Ettore Majorana пришёл к тому же выводу: Joliot-Curie открыли нейтрон, но не знали об этом.
Чедвик бросил все свои другие ответственности, чтобы сосредоточиться на доказательстве существования нейтрона, при помощи Feather и часто работая поздно ночью. Он разработал простой аппарат, состоящий из цилиндра, содержащего источник полония и мишень из берилия. Полученное излучение затем можно было направить на материал, такой как парафин; вытесненные частицы, которые были протонами, попадали в небольшую камеру ионизации, где их можно было обнаружить с помощью осциллоскопа. В феврале 1932 года, после всего около двух недель экспериментирования с нейтронами, Чедвик отправил письмо в Nature с названием «Possible Existence of a Neutron». Он подробно сообщил о своих выводах в статье, отправленной в Proceedings of the Royal Society A с названием «The Existence of a Neutron» в мае. Его открытие нейтрона было вехой в понимании ядра. Прочитав статью Чедвика, Robert Bacher и Edward Condon поняли, что аномалии в тогдашней теории, такие как спин азота, будут разрешены, если нейтрон имеет спин 1/2 и что ядро азота состояло из семи протонов и семи нейтронов.
Теоретические физики Niels Bohr и Werner Heisenberg обсуждали, может ли нейтрон быть фундаментальной ядерной частицей, такой как протон и электрон, а не парой протон–электрон. Heisenberg показал, что нейтрон лучше всего описывается как новая ядерная частица, но его точная природа оставалась неясной. В своей лекции Bakerian 1933 года Чедвик оценил, что нейтрон имеет массу около 1.0067 u. Поскольку протон и электрон имели объединённую массу 1.0078 u, это означало, что нейтрон как протон–электронный композит имел энергию связи около 2 MeV, что звучало разумно, хотя было трудно понять, как частица с такой малой энергией связи могла быть стабильной. Оценка такой малой разницы в массе требовала сложных точных измерений, однако, и в 1933–4 были получены несколько противоречивых результатов. Путём бомбардировки бора альфа-частицами Frédéric и Irène Joliot-Curie получили большое значение для массы нейтрона, но команда Ernest Lawrence в University of California произвела маленькое. Затем Maurice Goldhaber, беженец от нацистской Германии и аспирант лаборатории Cavendish, предложил Чедвику, что дейтероны можно фотораспада на гамма-лучах 2.6 MeV 208Tl (тогда известного как thorium C"):
2 1D + γ → 1 1H + n
Точное значение для массы нейтрона можно было определить из этого процесса. Чедвик и Goldhaber попробовали это и обнаружили, что это сработало. Они измерили кинетическую энергию произведённого протона как 1.05 MeV, оставляя массу нейтрона как неизвестное в уравнении. Чедвик и Goldhaber рассчитали, что это было либо 1.0084, либо 1.0090 атомных единиц, в зависимости от значений
