Сер Джеймс Чедвік

(1891-1974)

Англійський фізик, відомий за відкриття нейтрона, член Лондонського королівського суспільства.

Учень Е. Резерфорда. Закінчив Манчестерський і Кембріджський університети.

Біографія

Англійський фізик Джеймс Чедвік народився в м Боллінгтоне, поблизу Манчестера. Він був старшим із чотирьох дітей Джона Джозефа Чедвіка, власника пральні, і Енн Мері (Ноулс) Чедвік. Закінчивши місцеву початкову школу, він вступив до манчестерську муніципальну середню школу, де виділявся успіхами в математиці. У 1908 р Я. поступив в Манчестерський університет, збираюся вивчати математику, однак через непорозуміння з ним провели співбесіду з фізики. Занадто скромний, щоб вказати на помилку, він уважно вислухав питання, які йому задавали, і вирішив змінити спеціалізацію. Через три роки він закінчив університет з відзнакою з фізики.

У 1911 р Ч. почав аспірантську роботу під керівництвом Ернеста Резерфорда у фізичній лабораторії в Манчестері. Саме в цей час експерименти з розсіювання альфа-частинок (які розглядалися як заряджені атоми гелію), пропущених через тонку металеву фольгу, привели Резерфорда до припущеннь, що вся маса атома сконцентрована в щільному позитивно зарядженому ядрі, оточеному негативно зарядженими електронами, які, як відомо, мають відносно малою масою. Ч. отримав ступінь магістра в Манчестері в 1913 , і в цьому ж році, ставши володарем стипендії, він виїхав до Німеччини, щоб вивчати радіоактивність під керівництвом Ханса Гейгера (колишнього асистента Резерфорда) у Державному фізико-технічному інституті в Берліні. Коли в 1914 р почалася перша світова війна, Ч. був інтернований як англійська громадянин і більше 4 років провів у таборі для цивільних осіб в Рулебене. Хоча Ч. страждав від суворих умов, подтачивавших його здоров'я, він взяв участь у науковому товаристві, створеному його товаришами по нещастю. Діяльність цієї групи отримала підтримку з боку деяких німецьких вчених, включаючи Вальтера Нернста, з яким Ч. познайомився, будучи інтернований.

Ч. повернувся в Манчестер в 1919 р Незадовго перед цим Резерфорд виявив, що бомбардування альфа-частками (які тепер розглядалися як ядра гелію) може викликати розпад атома азоту на більш легкі ядра інших елементів. Кілька місяців потому Резерфорда вибрали на посаду директора Кавендішської лабораторії Кембриджського університету, і він запросив Ч. піти за ним. Ч. отримав стипендію Уоллестона в Гонвілл-енд-Кайус-коледжі, Кембридж, і зміг працювати з Резерфордом, продовжуючи експерименти з альфа-частками. Вони з'ясували, що при бомбардуванні ядер часто утворюється те, що, мабуть, є ядрами водню, найлегшого з елементів. Ядро водню несло позитивний заряд, рівний за величиною негативному заряду відповідного електрона, але володіло масою, приблизно в 2 тис. Разів перевищує масу електрона. Резерфорд пізніше назвав його протоном. Ставало ясно, що атом як ціле був електрично нейтральним, оскільки число протонів в його ядрі дорівнювало числу оточуючих ядро електронів. Однак таке число протонів не погодили з масою атомів, за винятком найпростішого випадку водню. Щоб усунути таку розбіжність, Резерфорд запропонував в 1920 р ідею, що ядра можуть містити електрично нейтральні частинки, які пізніше він назвав нейтронами, утворені сполученням електрона і протона.Протилежна точка зору полягала в тому, що атоми містять електрони як поза, так і всередині ядра і що негативний заряд ядерних електронів просто нейтралізує частина заряду протонів. Тоді протони ядра давали б повний внесок у загальну масу атома, а їх сумарний заряд був би якраз такий, щоб нейтралізувати заряд оточуючих ядро електронів. Хоча до припущення Резерфорда про те, що існує нейтральна частинка, поставилися з повагою, але все ж не було експериментального підтвердження цієї ідеї.

Ч. отримав докторський ступінь з фізики в Кембриджі в 1921 р і був обраний членом вченої ради Гонвілл-енд-Кайус-коледжу. Два роки опісля він став заступником директора Кавендішської лабораторії. Аж до кінця 20-х рр. він досліджував такі атомні явища, як штучний розпад ядер легких елементів під дією бомбардування альфа-частинками і спонтанне випускання бета-частинок (електронів). У процесі цієї роботи він розмірковував над тим, як можна було б підтвердити існування Резерфордовского нейтральної частинки, проте вирішальні дослідження, що дозволили це зробити, були проведені в Німеччині та Франції.

У 1930 р німецькі фізики Вальтер Боте і Ханс Беккер виявили, що при бомбардуванні деяких легких елементів альфа-частками виникає випромінювання, що володіє особливою проникаючою силою, яку вони прийняли за гамма-промені. Гамма-промені вперше стали відомі як випромінювання, що породжується радіоактивними ядрами. Вони володіли більшою, ніж у рентгенівських променів, проникаючу здатність, оскільки у них більш коротка довжина хвилі. Однак деякі результати спантеличували, особливо коли в якості мішені для бомбардування використовувався берилій. При цьому випромінювання в напрямку руху падаючого потоку альфа-частинок мало більшої проникаючу здатність, ніж зворотне випромінювання. Ч. припустив, що берилій випускає потік нейтральних частинок, а не гамма-промені. У 1932 р французькі фізики Фредерік Жоліо і Ірен фоліо-Кюрі, досліджуючи проникаючу здатність випромінювання берилію, поміщали різні поглинаючі матеріали між бомбардований берилієм і ионизационной камерою, що виконувала роль реєстратора випромінювання. Коли в якості поглинача вони взяли парафін (речовина, багате воднем), то виявили збільшення, а не зменшення випромінювання, що виходить з парафіну. Перевірка привела їх до висновку, що посилення випромінювання пов'язане з протонами (ядрами водню), вибиває з парафіну проникаючою радіацією. Вони припустили, що протони вибиваються в результаті зіткнень з квантами (дискретними одиницями енергії) надзвичайно потужного гамма-випромінювання, подібно тому як електрони вибиваються при зіткненні з рентгенівськими променями (ефект Комптона) в експерименті, вперше проведеному Артуром Х. Комптоном.

Ч. швидко повторив і розширив експеримент, проведений французької парою, і виявив, що товста свинцева пластина надає скільки-небудь помітного впливу на випромінювання берилію, не послабляючи його і не породжуючи вторинного випромінювання, що свідчило про його високу проникаючу здатність. Однак парафін знову дав додатковий потік швидких протонів. Ч. справив перевірку, яка підтвердила, що це дійсно протони, і визначив їх енергію. Потім він показав, що за всіма ознаками вкрай мало ймовірно, щоб при зіткненнях альфа-частинок з берилієм могли виникати гамма-промені з енергією, достатньою для того, щоб вибивати протони з парафіну з такою швидкістю. Тому він залишив ідею про гамма-променях і зосередився на нейтронної гіпотезі. Прийнявши існування нейтрона, він показав, що в результаті захоплення альфа-частинки ядром берилію може утворитися ядро елемента вуглецю, причому звільняється один нейтрон. Те ж саме він проробив і з бором - ще одним елементом, породжує проникаючу радіацію при бомбардуванні альфа-променями. Альфа-частинка і ядро бору з'єднуються, утворюючи ядро азоту і нейтрон. Высокая проникающая способность потока нейтронов возникает потому, что нейтрон не обладает зарядом и, следовательно, при движении в веществе не испытывает влияния электрических полей атомов, а взаимодействует с ядрами лишь при прямых столкновениях. Нейтрону потрібно також менша енергія, ніж гамма-променю, щоб вибити протон, оскільки він володіє великим імпульсом, ніж квант електромагнітного випромінювання тієї ж енергії. Те, що випромінювання берилію в прямому напрямку виявляється більш проникаючим, можна пов'язати з переважним випромінюванням нейтронів в напрямку імпульсу падаючого потоку альфа-частинок.

Ч. також підтвердив гіпотезу Резерфорда, що маса нейтрона повинна бути дорівнює масі протона, аналізуючи обмін енергією між нейтронами і протонами, вибитими з речовини, як якщо б мова йшла про зіткненні більярдних куль. Енергообмін особливо ефективний, оскільки їх маси майже однакові.Він також проаналізував треки атомів азоту, які зазнали соударению з нейтронами, в конденсационной камері - приладі, винайденому Ч.Т.Р. Вильсоном. Пар в конденсационной камері конденсується уздовж наелектризованої доріжки, яку залишає іонізуюча частка при взаємодії з молекулами пари. Доріжка видна, хоча сама частка і невидима. Оскільки нейтрон не робить безпосередньо іонізуючого впливу, його слід не видно. Ч. довелося встановлювати властивості нейтрона по треку, оставляемому після зіткнення з атомом азоту. Виявилося, що маса нейтрона на 1,1% перевищує масу протона.

Експерименти і розрахунки, виконані іншими фізиками, підтвердили висновки Ч., і існування нейтрона було швидко визнано. Незабаром після цього Вернер Гейзенберг показав, що нейтрон не може бути сумішшю протона і електрона, а являє собою незаряджену ядерну частинку - третій субатомну, або елементарну, частку з тих, що були відкриті. Запропоноване Ч. доказ існування нейтрона в 1932 р докорінно змінило картину атома і проклало шлях для подальших відкриттів у фізиці. У нейтрона було і практичне застосування як у руйнівника атома: на відміну від позитивно зарядженого протона він не відштовхується при підході до ядра.

«За відкриття нейтрона» Ч. був нагороджений в 1935 році Нобелівською премією з фізики. «Існування нейтрона повністю встановлено, - сказав Ханс Плейель зі Шведської королівської академії наук у своїй промові на церемонії вручення, - в езультаті чого вчені прийшли до нової концепції будови атома, яка краще узгоджується з розподілом енергії всередині атомних ядер. Стало очевидним, що нейтрон утворює один з будівельних цеглин, з яких складаються атоми і молекули, а значить, і вся матеріальна Всесвіт ».

Ч. перейшов в 1935 р в Ліверпульський університет, щоб створити новий центр фізичних ядерних досліджень. У Ліверпулі він стежив за модернізацією університетського обладнання та керував будівництвом циклотрона - установки для прискорення заряджених частинок.

Коли в 1939 р почалася друга світова війна, британський уряд звернулося до Ч. із запитом, чи можлива ланцюгова ядерна реакція, і він почав з допомогою ліверпульського циклотрона досліджувати цю можливість. Наступного року він увійшов до складу Модовского комітету, невеликий обраної групи провідних британських вчених,яка зробила оптимістичні висновки про можливість Британії створити атомну бомбу, і став координатором експериментальних програм з розробки атомної зброї в Ліверпулі, Кембриджі і Брістолі. Надалі, проте, Британія вирішила приєднатися до американської програми створення ядерної зброї і направила своїх вчених, що займалися ядерними дослідженнями, в Сполучені Штати. З 1943 по 1945 р Ч. координував зусилля британських вчених, які працювали над Манхеттенським проектом (секретна програма створення атомної бомби).

Ч. повернувся в Ліверпульський університет в 1946 р Два роки опісля він відійшов від активної наукової діяльності та очолив Гонвілл-енд-Кайус-коледж. У 1958 р він переїхав в Північний Уельс з дружиною Ейлін, до заміжжя Стюарт-Браун, на якій одружився в 1925 р Вони повернулися в Кембридж в 1969 р, щоб бути ближче до своїх дочок-близнюкам. Ч. помер 5 років тому в Кембриджі.

Крім Нобелівської премії, Ч. отримав медаль Хьюгс (1932) і медаль Коплі (1950 р) Королівського товариства, медаль «За заслуги» уряду США (1946), медаль Франкліна цьому перевороті інституту (1951) і медаль Гутрі фізичного інституту в Лондоні (1967 р). Отримавши дворянське звання в 1945 р, він був володарем почесних ступенів 9 британських університетів і був членом багатьох наукових товариств і академій в Європі та Сполучених Штатах.