«Отец» нейтрона

Чедвик (Чэдвик, Чадвик) Джеймс (Chadwick, James) - английский физик- экспериментатор. Родился 20 октября 1891 года в городе Боллингтоне, вблизи Манчестера. Он был старшим из четырёх детей Джона Джозефа Чедвика, прядильщика хлопка, и Энн Мэри Ноулс, прислуги. Окончив местную начальную школу, он поступил в манчестерскую муниципальную среднюю школу, где выделялся успехами в математике. В 1908 г. Чедвик поступил в Манчестерский университет, собираясь изучать математику, однако по недоразумению с ним провели собеседование по физике. Слишком скромный, чтобы указать на ошибку, он внимательно выслушал вопросы, которые ему задавали, и решил сменить специализацию. Через три года он окончил университет с отличием по физике.

В 1911 г. Чедвик начал аспирантскую работу под руководством Эрнеста Резерфорда в физической лаборатории в Манчестере. Именно в это время эксперименты по рассеянию альфа-частиц (которые рассматривались как заряженные атомы гелия), пропущенных через тонкую металлическую фольгу, привели Резерфорда к предположению, что вся масса атома сконцентрирована в плотном положительно заряженном ядре, окруженном отрицательно заряженными электронами, которые, как известно, обладают относительно малой массой.

Чедвик получил степень магистра в Манчестере в 1913 г., и в этом же году, став обладателем стипендии, он уехал в Германию, чтобы изучать радиоактивность под руководством Ханса Гейгера (бывшего ассистента Резерфорда) в Государственном физико-техническом институте в Берлине.

В 1914г. он открыл непрерывный спектр энергии бета-излучения. Используя недавно разработанный Гейгером счётчик Гейгера, который обеспечивал большую точность, чем более ранние техники, ему удалось продемонстрировать, что бета-излучение не производит дискретные линии, как считали ранее, но имеет непрерывный спектр с пиками в определённых местах. Во время визита в лабораторию Гейгера Альберт Энштейн сказал Чедвику: «Я могу объяснить обе эти вещи, но я не могу объяснить их одновременно». Непрерывный спектр оставался необъяснимым явлением ещё долгие годы.

Исследовал рассеивание альфа-частиц ядрами платины, серебра и меди и непосредственно измерил заряды ядер, чем окончательно подтвердил теорию атома Резерфорда и вывод о том, что заряд ядра равен порядковому номеру элемента.

Когда в 1914 г. началась первая мировая война, Чедвик был интернирован как английский гражданин и более 4 лет провёл в лагере для гражданских лиц в Рулебене. Хотя Чедвик страдал от суровых условий, подтачивавших его здоровье, он принял участие в научном обществе, созданном его товарищами по несчастью. Деятельность этой группы получила поддержку со стороны некоторых немецких учёных, включая Вальтера Нернста, с которым Чедвик познакомился, будучи интернирован.

Чедвик вернулся в Манчестер в 1919 г. Незадолго перед этим Резерфорд обнаружил, что бомбардировка альфа-частицами может вызвать распад атома азота на более легкие ядра других элементов. Несколько месяцев спустя Резерфорда выбрали на должность директора Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, и он пригласил Чедвика последовать за ним. Чедвик получил стипендию Уоллестона в Гонвилл-энд-Кайус-колледже (Кембридж) и смог работать с Резерфордом, продолжая эксперименты с альфа-частицами.

Они выяснили, что при бомбардировке ядер часто образуется то, что, по-видимому, является ядрами водорода, легчайшего из элементов. Ядро водорода несло положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду соответствующего электрона, но обладало массой, примерно в 2 тыс. раз превышающей массу электрона. Резерфорд позднее назвал его протоном. Становилось ясно, что атом как целое был электрически нейтральным, поскольку число протонов в его ядре равнялось числу окружающих ядро электронов. Однако такое число протонов не согласовалось с массой атомов, за исключением простейшего случая водорода.

Чтобы устранить такое расхождение, Резерфорд предложил в 1920 г. идею, что ядра могут содержать электрически нейтральные частицы, которые позднее он назвал нейтронами, образованные соединением электрона и протона. Противоположная точка зрения состояла в том, что атомы содержат электроны как вне, так и внутри ядра и что отрицательный заряд ядерных электронов просто нейтрализует часть заряда протонов. Тогда протоны ядра давали бы полный вклад в общую массу атома, а их суммарный заряд был бы как раз такой, чтобы нейтрализовать заряд окружающих ядро электронов. Хотя к предположению Резерфорда о том, что существует нейтральная частица, отнеслись с уважением, но всё же не было экспериментального подтверждения этой идеи.

Чедвик получил докторскую степень по физике в Кембридже в 1921 г. и был избран членом учёного совета Гонвилл-энд-Кайус-колледжа. Два года спустя он стал заместителем директора Кавендишской лаборатории. Вплоть до конца 20-х гг. он исследовал такие атомные явления, как искусственный распад ядер лёгких элементов под действием бомбардировки альфа-частицами и спонтанное испускание бета-частиц (электронов). В процессе этой работы он размышлял над тем, как можно было бы подтвердить существование резерфордовской нейтральной частицы, однако решающие исследования, позволившие это сделать, были проведены в Германии и Франции.

Чедвик быстро повторил и расширил эксперимент, проведенный французскими физиками Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри, и обнаружил, что толстая свинцовая пластина не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на излучение бериллия, не ослабляя его и не порождая вторичного излучения, что свидетельствовало о его высокой проникающей способности. Однако парафин вновь дал добавочный поток быстрых протонов. Чедвик произвёл проверку, которая подтвердила, что это действительно протоны, и определил их энергию.

Приняв существование нейтрона, он показал, что в результате захвата альфа-частицы ядром бериллия может образоваться ядро элемента углерода, причём освобождается один 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. Чедвик также подтвердил гипотезу Резерфорда, что масса нейтрона должна быть равна массе протона. Он ожидал, что нейтроны станут главным оружием в борьбе с раком.

В 1925 г. он женился на Эйлин Стюарт-Браун. Шафером на свадьбе был П.Л. Капица.

«За открытие нейтрона» Чедвик был награждён в 1935 г. Нобелевской премией по физике. В 1935 г. он перешёл в Ливерпульский университет, чтобы создать новый центр физических ядерных исследований. В Ливерпуле он следил за модернизацией университетского оборудования и руководил строительством циклотрона – установки для ускорения заряженных частиц. Один из первых рассчитал критическую массу урана -235.

Чедвик не верил, что есть какая-нибудь вероятность ещё одной войны с Германией в 1939 году и взял свою семью на каникулы на отдалённое озеро в Северной Швеции. Поэтому новости о начале Второй мировой войны стали шоком. Не желая проводить ещё одну войну в лагере для интернированных, Чедвик решил вернуться в Стокгольм так быстро, насколько это возможно, но когда он прибыл туда со своей семьёй, он обнаружил, что авиасообщение между Стокгольмом и Лондоном приостановлено. Они вернулись назад в Англию на грузовом пароходе.

Британское правительство обратилось к Чедвику с запросом, возможна ли цепная ядерная реакция, и он начал с помощью ливерпульского циклотрона исследовать эту возможность. В следующем году он вошёл в состав Модовского комитета, небольшой избранной группы видных британских учёных, которая сделала оптимистические выводы о возможности Британии создать атомную бомбу, и стал координатором экспериментальных программ по разработке атомного оружия в Ливерпуле, Кембридже и Бристоле.

В дальнейшем, однако, Британия решила присоединиться к американской программе создания ядерного оружия и направила своих учёных, занимавшихся ядерными исследованиями, в Соединенные Штаты. С 1943 по 1945 г. Чедвик координировал усилия британских учёных, работавших над Манхэттенским проектом (секретная программа создания атомной бомбы).

В своей книге о проекте бомбы Грахам Фармелло написал, что «Чедвик сделал больше, чем любой другой ученый, чтобы дать Черчиллю бомбу…. Чедвик был испытан почти до предела». Чедвик так переживал, что не мог спать, и поэтому обратился к снотворному, которое он продолжал принимать на протяжении большей части оставшейся жизни. Чедвик позже сказал, что он осознал, что «Создание ядерной бомбы было не только возможно, оно было неизбежно. Раньше или позже эти идеи не могли быть чужды нам. Все задумались бы о них вскоре, а какая-то страна привела бы их в действие».

Вследствие опасности воздушных бомбардировок, Чедвик отправил своих детей в Канаду по эвакуационной схеме правительства. Чедвик не хотел перемещать работу проекта туда, так как считал, что Англия была лучшим местом для установки по разделению изотопов. Большой размах этих усилий стал более очевидным в 1942 году: даже пилотная установка по разделению изотопов стоила бы более 1 миллиона и напрягла бы ресурсы Англии, не говоря уже о полномасштабной установке, стоимость которой оценивалась в 25 миллионов фунтов стерлингов. Она должна была быть построена в Америке. К тому времени, когда Британия убедилась, что сотрудничество необходимо, американский Манхэттенский проект продвинулся настолько, что объединение усилий с Британией уже не выглядело таким нужным для американцев, хотя они все еще стремились использовать таланты Чедвика.

Вопрос сотрудничества должен был быть поднят на наивысший уровень. В сентябре 1943 года премьер-министр Уинстон Черчиль и президент Рузвельт заключили Квебекское соглашение, которое возобновляло сотрудничество между Британией, Соединенными Штатами и Канадой. Чедвик, Олифант, Пайерлс и Саймон были вызваны в США для работы над Манхэттэнским проектом. Квебекское соглашение учредило новый комитет по политике для управления совместным проектом. Чедвик был назначен техническим советником Совместного комитета по политике и главой британской миссии.

Чедвик начал осматривать объекты Манхэттэнского проекта в ноябре 1943 года и признал, что американцы не нуждаются в помощи Британии, но что эта помощь могла бы быть полезной для скорейшего и успешного завершения проекта. Запросы через Чедвика о переводе в проект конкретных английских ученых выполнялись благодаря приоритету проекта. В результате вклад британской команды в успех Манхэттенского проекта был решающим.

Хотя Чедвик имел больше знаний о проекте, чем кто-либо другой в Британии, во время войны он не имел доступа к Хэнфордскому комплексу. За свой вклад Чедвик получил рыцарский титул. К началу 1945 года Чедвик проводил большую часть времени в Вашингтоне, и в апреле 1945 года его семья переехала в Вашингтон. 16 июля он присутствовал на испытании ядерного оружия, когда впервые была взорвана атомная бомба.

Вскоре после окончания войны Чедвик был назначен Британским научным советником в Комиссию Организации объединенных наций по атомной энергии. Также он был назначен в британский консультативный комитет по атомной энергии, где столкнулся с Патриком Блэкеттом, который был не согласен с убеждением Чедвика о том, что Британии необходимо своё собственное ядерное оружие; но эта позиция Чедвика была в конечном счёте принята. В 1946 году он вернулся в Британию.

В то время сэр Джеймс Моунтфорд, проректор университета Ливерпуля, написал в своем дневнике, что «никогда не видел человека настолько физически, ментально и душевного уставшего», как Чедвик, так как он «погрузился в такие глубины нравственного решения, в которые более удачливые люди никогда не призваны даже заглядывать … [и испытывает] … почти невыносимые муки ответственности, вытекающие из его научной работы».

Чедвик вернулся в Ливерпульский университет в 1946 г. Два года спустя он отошёл от активной научной деятельности и возглавил Гонвилл-энд-Кайус-колледж. В 1958 г. он переехал в Северный Уэльс.

Чедвик купил дом в городе Денби в Уэльсе, где провёл десять счастливых лет, уделяя много внимания подготовке к печати собрания работ Резерфорда. В 1968 году он с женой вернулся в Кембридж. чтобы быть ближе к дочерям-близнецам.

Чедвик стал много болеть и редко покидал свою квартиру, хотя и путешествовал в Ливерпуль, чтобы отметить своё восьмидесятилетие. Будучи в течение всей жизни атеистом, он не видел смысла принимать веру к концу жизни. Он умер во сне 24 июля 1974 года.

Кроме Нобелевской премии, Чедвик получил медаль Хьюгса (1932 г.) и медаль Копли (1950 г.) Королевского общества, медаль «За заслуги» правительства США (1946 г.), медаль Франклина Франклиновского института (1951 г.) и медаль Гутри Физического института в Лондоне (1967 г.). Получив дворянское звание в 1945 г., он являлся обладателем почётных степеней 9 британских университетов и был членом многих научных обществ и академий в Европе и Соединенных Штатах.

Лаборатория Чедвика в Университете Ливерпуля названа в его честь, как и кафедра экспериментальной физики Джеймса Чедвика, которая была названа в его честь в 1991 году в рамках празднования столетия со дня его рождения. Также в честь него был назван кратер на Луне.

Рассказывают, что ...

• П. Л. Капица вспоминал: «Когда я был в Кембридже, Резерфорд уже сам не экспериментировал, он ставил свои опыты преимущественно с Чедвиком и Эллисом, но всегда принимал в них активное участие. Строгим судьей и очень критическим при обработке статистических результатов Резерфорд считал Чедвика.

... Детальное руководство работами он (Резерфорд) обычно передавал одному из своих старших сотрудников, большей частью это был Чедвик...».