James Chadwick (1891-1974)
Jest rok 1891. Uczęszczający do College' u Canterbury w mieście Christchurch młody człowiek o nazwisku Ernest Rutherford w ramach działalności studenckiego towarzystwa naukowego wygłosił referat pt.: "O ewolucji materii". W odczycie tym wygłosił swoją myśl, że wszystkie atomy składają się z identycznych składników. Rutherford nie dysponuje wówczas doświadczalną możliwością udowodnienia poczynionych uwag o materii, co w efekcie wpłynęło na to, że był zmuszony przeprosić członków towarzystwa.
W tym też roku ( 1891) w dniu 20 października w Bollinghtonie urodził się James Chadwick. Dalsze prześledzenie jego życiorysu ujawnia jak wielkie więzi łączyły go ze wspomnianym już Rutherfordem.Po ukończeniu uniwersytetów w Manchesterze i w Cambridge rozpoczyna Chadwick pracę w dziedzinie radioaktywności i interesuje się fizyką jądrową.Już w 1914 roku odkrył widmo ciągłe energii dla promieniowania B .
Krótko przed I wojną światową udał się wraz z bliskim współpracownikiem Retherforda Jahannesm Wilhelm Hansem Geigerem do Berlina, do Physikalisch - Technische Reichsanstalt (Instytut Fizyczno-Techniczny). Nie było mu dane przebywać tam długo. Został internowany i do końca tej wojny zostaje w obozie w Ruhleben.Po wojnie dwudziestodziewięcioletni James Chadwick rozpoczyna bardzo owocna współpracę ze wspomnianym już Ernestem Rutherfordem. którego traktuje jak najlepszego nauczyciela. Badania prowadzą w rozwijającej się dziedzinie fizyki, nazwanej jądrową.
W 1920 roku obserwuje w pracowni swojego nauczyciela rozpraszanie cząsteczek na jądrach platyny, srebra i miedzi oraz pomierzył ładunek jądra, czym ostatecznie potwierdził teorię atomu Rutherforda i hipotezę o tym, że ładunek jądra jest równy porządkowej liczbie pierwiastka.Po odkryciu w 1919 roku protonu przez cztery lata laboratorium im.Cavendisha, w których pracują naukowo obaj uczeni, było monopolistą w dziedzinie rozbijania atomów.Rutherford ceni Chadwicka za bardzo krytyczne podejście do opracowania danych statystycznych pomiarów. Panowie ci w roku 1924 występują z hipotezą o istnieniu w reakcjach jądrowych jeszcze jednej cząstki elementarnej nie posiadającej ładunku elektrycznego.
W 1920 roku amerykański fizyk i chemik William J. Harkins przewidywał istnienie neutronu i denteru. Natomiast w tymże roku, dwanaście lat przed odkryciem tej cząstki także przewidywał możliwość jego istnienia. O wynikach ciekawych eksperymentów i niekonwencjonalnym myśleniu tego uczonego i jego ucznia Chadwicka, możemy przekonać się czytając fragment referatu Rutherforda w Towarzystwie Królewskim:
"Zakładając, że nasza teza jest słuszna, to bardzo prawdopodobne jest, że elektron może wiązać dwa jądra wodoru, lub co równie prawdopodobne, jedno jądro wodoru. Z przypadkiem pierwszym wiąże się możliwość istnienia atomu o masie równej 2 i o jednym ładunku. Powinniśmy go traktować jako izotop wodoru ( odkryty 30 grudnia 1931 r. przez Harolda Claytona Ureya, żyjącego w latach 1893-1981, wraz z Brickweddem i Murphy. Wiadomość o tym wpłynęła do "The Physical Review" 16 lutego 1932 roku). Natomiast w drugim nasuwa się myśl o możliwości istnienia atomu o masie równej 1, a ładunku jądrowym zero.Atom taki mógłby łatwo wnikać w strukturę atomów i mógłby się bądź to łączyć z jądrem, bądź ulegać rozpadowi w silnym polu, w wyniku czego mogłaby nastąpić emisja naładowanego atomu wodoru, elektronu lub ich obu."
W 1930 roku Walther Wilhelm Georg Franz Bothe w Charlottenburgu i później razem z Hansem Beckerem w Geissen obserwowali dziwne promieniowanie powstające w wyniku bombardowania berylu przez cząstki L. Nie potrafili wyjaśnić powstawania tego twardego ( bardzo przenikliwego promieniowania) i zarazem nie zdawali sobie sprawy z zachodzących przemian jądrowych. Badaniem własności tych promieni zajęli się Irena (Irene) Joliot-Curie i Frédéric Joliot.Małżeństwo to w dniu 18 stycznia 1932 roku ogłosiło spostrzeżenie o silnym pochłanianiu promieniowania przez parafinę, z której były wybijane szybkie protony z atomów wodoru zawartych w parafinie.Już niespełna miesiąc później tj.
17 lutego 1932 roku do redakcji tygodnika "Nature" James Chadwick przekazuje komunikat o odkryciu neutronu. Tak wydrukowano o tym wydarzeniu w numerze oznaczonym liczbami 3252, 1291, 312 tegoż czasopisma:
"Bothe i inni wykazali, że bombardowany pochodzącymi z polonu cząstkami L, beryl emituje bardzo przenikliwie promieniowanie... Badając działanie jonizujące tego promieniowania berylowego w naczyniu cienkim okienkiem pani Joliot-Curie i pan Joliot stwierdzili ostatnio, że jonizacja wzrasta, gdy przed okienkiem umieści się substancję zawierającą wodór. Wydaje się, że ten ostatni efekt spowodowany jest wybijanymi z tej substancji protonami, o prędkości sięgającej niemal 3 *10⁹ [ cm/s ] ... Jeśli energia i pęd mają być w zderzeniu zachowane, to wyniki te, podobnie jak wyniki otrzymane przeze mnie, trudno jest wyjaśnić przy założeniu, że promieniowanie berylu ma charakter elektromagnetyczny. Trudności znikają, jeśli przyjmiemy, że promieniowanie to składa się z cząsteczek o masie 1 ładunku O , czyli neutronów.Oznacza to, że przechwycenie cząstki L przez jądro Be 5 może prowadzić do powstania jądra 12 i emisji neutronu ...
Jako pierwszy dokonuje poprawnej interpretacji wyników otrzymanych przez Bothe i Beckera w zestawieniu z własną hipotezą modelu neutronu, a wyniki doświadczalne i obliczenia przeprowadzone z berylowymi promieniami potwierdziły, że jądra atomowe substancji różnych od parafiny mogą być wybijane jedynie przez promieniowanie korpuskularne, składające się z neutralnych elektrycznie cząsteczek o masie 1.W tym też roku w notce na końcu pracy E.Rutherforda umieszczonej w Proc.Roy.Soc A 136 735 Chadwick tak oszacowuje masę neutronu:
"wyniki doświadczalne udało się w zadawalający sposób wyjaśnić, przyjmując założenie, że promieniowanie nie składa się z kwantów lecz z cząstek o masie 1 i ładunku o,czyli neutronów.Zmierzono z dużą dokładnością zakres prędkości atomów odrzutu w przypadku dwu pierwiastków, wodoru i azotu i wyliczono ich wartości maksymalne. Wynoszą one odpowiednio 3,3 * 10⁹ [ cm/s ] i 4,7 * 10⁸ [ cm/s] . Niech M. i V oznaczają odpowiednio masę i maksymalną prędkość cząsteczek, z których składa się promieniowanie.Maksymalna prędkość, jaka może uzyskać jądro wodoru, 2 M jest równa M + 1a maksymalna prędkość jądra azotu wynosi2 M/M + 14 wobec tego M + 14 UH 3,3 * 10⁹ M + 1 U_N 4,7 * 10⁸ , a więc M. = 1,15. W granicach błędu doświadczalnego możemy przyjąć masę M. równą 1..."
W kwestii uzupełnienia można dodać, że stosowany przez Chadwicka związek między masami i prędkościami możemy otrzymać eliminując z równań zachowania pędu i energii kinetycznej prędkość neutronu po zderzeniu.W ten sposób J.Chadwick stwierdził istnienie trzeciej cząstki - neutronu. Za dokonanie tego odkrycia otrzymał w 1935 roku Nagrodę Nobla.
W swojej karierze naukowej w latach 1923-1935 przebywał na uniwersytecie w Cambridge i był zastępcą dyrektora laboratorium im.Cavendisa. Jego prace obejmowały też kwestię tworzenia par elektron-pozyton. W tym zagadnieniu współpracował w latach 1932 - 1933 z P.Blackettem i G.Occhialinim potwierdzając odkryty we wrześniu 1932 roku przez Carla Davida Andersona (ur.1905) pozyton.W 1934 roku razem z Moris Goldhaberem odkrył jądrowy fotoefekt i przewidzieli rozpad B swobodnego neutronu. Bombardując kwantami gamma o energii2,62 MeV rozbili oni deuter. Jest jednym z pierwszych, który obliczył masę krytyczną uranu 235, a w czasie II wojny światowej uczestniczy w pracach związanych z budową bomby jądrowej, ale już w amerykańskim laboratorium w Santa -Fe w stanie Nowy Meksyk.W uznaniu zasług dla rozwoju dizyki jądrowej poza wymieniona Nagrodą Nobla otrzymał w 1932 roku medal Devida Eduarda Hughes' a, który był ustanowiony przez Londyńskie Królewskie Towarzystwo w 1902 roku. Wśród innych medali przyznanych sir J.Chadwickowi należy wspomnieć o przyznaniu w 1950 roku medalu M.Faradaya i rok później przyznaniu medalu B.Franklina. [11]