На початку 20 століття світ фізики був на порозі монументальних відкриттів. Постійно проводилися різні копіткі дослідження та палкі пошуки розгадок таємниць атомного ядра. Серед багатьох вчених того часу був Джеймс Чедвік, фізик з Манчестера, якому вдалося назавжди змінити наше уявлення про структуру атома завдяки проривному відкриттю нейтрона. Далі на imanchester.info.
Юні роки та становлення
Майбутній фізик Джеймс Чедвік народився у 1891 році в Боллінгтоні, графство Чешир, невеликому містечку неподалік Манчестера. Ріс і виховувався у досить скромній родині. Його батько був звичайним прядильцем бавовни, а мати працювала домашньою прислугою. Коли юному хлопцеві було лише 4 роки його батьки переїхали до Манчестера, а він залишився на виховання у дідуся з бабусею. Також слід зазначити, що з раннього віку Чедвік виявляв виняткові здібності до природничих наук та математики. Був досить успішним у навчанні. Зокрема, він відвідував початкову школу Боллінгтон-Крос. Саме там його інтелектуальні здібності принесли йому перше в житті досягнення – стипендію у Manchester Grammar School. Крім того, він також навчався у Victoria University of Manchester під керівництвом відомого фізика Ернеста Резерфорда. Але, на жаль, через фінансове становище батьків, сім’ї довелося відмовитися від такої можливості. Натомість Чедвік вступив до Центральної гімназії для хлопчиків, яка знаходилася в Манчестері. У 16 років йому вдалося успішно скласти два іспити на університетську стипендію. Ба більше, він виграв обидві стипендії.
Вибір майбутнього фізика впав на Манчестерський університет Вікторії. Слід зазначити, що хлопця спочатку приваблювала математика, але помилково він подав документи на факультет фізики. Ця випадковість виявилася доленосною і змінила все його подальше життя. Все ж таки Чедвік потрапив на факультет видатного фізика того часу Ернеста Резерфорда, який доручив різні дослідницькі проєкти студентам останнього курсу, а також доручив Чедвіку розробити спосіб порівняння кількості радіоактивної енергії двох різних джерел.
В університеті захоплення Чедвіка атомним світом посилювалося з кожним днем. Під керівництвом Резерфорда він проводив експерименти, які заклали основу його майбутніх відкриттів.
Ранні дослідження
Ранні університетські дослідження Чедвіка полягали у порівнянні кількості радіоактивної енергії двох різних джерел в одиницях активності 1 грама (0,035 унції) радію (ці дослідження призвели до того, що надалі була придумана така одиниця виміру як кюрі). Вимоги Резерфорда виявилися не реальними для виконання і Чедвік це знав, але як учень боявся сказати про це своєму вчителю, тому продовжував працювати та відстоювати свою точку зору цього проєкту. Зрештою Чедвіку вдалося розробити необхідний метод. Його результати увійшли до першої наукової статті Чедвіка, співавтором якої також став і Резерфорд.
Крім того, згодом Чедвіку вдалося розробити метод вимірювання гамма-випромінювання. Внаслідок цього відкриття Чедвіком було опубліковано ще одну резонансну наукову статтю.
У 1912 році він з відзнакою здобув ступінь магістра наук і продовжив свою успішну дослідницьку та наукову діяльність. Ба більше, Чедвік отримав спеціальну виставкову стипендією 1851 року, яка дозволила йому вчитися та проводити дослідження в університеті в континентальній Європі. А вже у 1913 році він вирішив скористатися всіма привілеями і вирушив до Берліна вивчати бета-випромінювання під керівництвом Ганса Гейгера у Фізико-технічному університеті рейхсанштальту. Тут він провів чимало часу над детальним вивченням випромінювань.
Але, на жаль, світ опинився на порозі Першої світової війни. Чедвік, перебуваючи на території Німеччини, був направлений у табір для інтернованих Рухлебен. Незважаючи на жорстокі умови воєнного часу, там йому дозволили продовжити роботу над його дослідженнями. Під лабораторію виділили навіть стайню. Зокрема, у військовий період він присвятив себе роботі над іонізацією фосфору та фотохімічною реакцією окису вуглецю та хлору. Після звільнення у 1918 році він повернувся до рідного Манчестера, де підготував детальну доповідь за результатами проведених досліджень до спеціальної виставки.
У Манчестері Чедвік знову потрапив до Резерфорда, який запропонував посаду викладача на неповний робочий день. Ця посада дозволила йому продовжити проводити дослідження у сфері фізики. Таким чином, після повернення в Манчестер Чедвік зайнявся вивченням ядерного заряду платини, срібла та міді. Внаслідок цього дослідження вдалося виявити, що заряд збігається з атомним номером з похибкою менш як 1,5%.
Відкриття нейтрона
1920-1930-ті роки для Чедвіка були періодом інтенсивних наукових досліджень про природу атома. Хоча протони та електрони були добре відомими складовими частинами атома, існування ще однієї субатомної частки залишалося спекулятивним. Резерфорд, друг і колишній учитель Чедвіка, висунув гіпотезу про наявність нейтральної частки всередині ядра, щоб пояснити відмінності в атомній масі, але її існування ще не було доведено.
Можливість зробити новаторське відкриття була представлена Чедвіку у 1932 році. Працюючи в лабораторії Кавенді, він досліджував результати експериментів, проведених французькими фізиками Ірен і Фредеріком Жоліо-Кюрі, які спостерігали незвичайне випромінювання при бомбардуванні берилію альфа-частинками. Саме тоді Чедвіку прийшла геніальна думка, що це випромінювання могло бути не гамма-променями, як припускали Жоліо-Кюрі, а чимось значно більшим.
За допомогою серії ретельних експериментів Чедвік довів, що випромінювання складається з незаряджених частинок із масою, близькою до маси протона. Ці частки, які він назвав нейтронами, не мали електричного заряду і тому здатні проникати в атомні ядра, не відштовхуючись позитивним зарядом протонів. Його відкриття стало революційним відкриттям та величезним стрибком у галузі атомної фізики. Саме йому вдалося в 1932 році вирішити доти нерозгадану частину головоломки.
За своє революційне відкриття нейтрона у 1932 році Чедвік був нагороджений медаллю Хьюза, яку надало йому Королівське товариство. Крім того, він також отримав Нобелівську премію з фізики, але роками пізніше – у 1935 році. Він також був нагороджений медалями Коплі та Франкліна у 1950 та у 1951 роках за високі досягнення у галузі фізики.
Друга світова війна та Мангеттенський проєкт
Ще до початку Другої світової війни Чедвік вже був успішним діячем у галузі ядерної фізики. Його відкриття нейтрона у 1932 році представило нові можливості для дослідження атомного ядра. У міру зростання напруженості на території Європи у 1939 році робота Чедвіка набувала величезної актуальності, особливо в контексті потенційного військового застосування. Тому американці всіляко намагалися його залучити до Мангеттенського проєкту.
Слід зазначити, що, переживши Першу світову війну в ізоляції в Німеччині, Чедвік до останнього не вірив, що війна почнеться знову. Але, на жаль, військового конфлікту було не уникнути.
Коли у 1941 році США вступили у війну, вони визнавали потенційні вигоди від скоординованих зусиль союзників. Тому вже у 1943 році згідно з Квебецькою угодою було здійснено обмін науковою інформацією та ресурсами між США та Великобританією. Зокрема, для реалізації Мангеттенського проєкту.
Досвід і знання Чедвіка, які він здобув за роки роботи та досліджень мали для США неоціненне значення, особливо для реалізації Мангеттенського проєкту. Роль Чедвіка в першу чергу полягала в керівництві британською науковою групою та участі у теоретичній та експериментальній роботі, необхідної для створення успішної ядерної зброї.
Вже у 1945 році Мангеттенський проєкт досяг поворотного моменту, зокрема завдяки знанням і зусиллям Чедвіка. Тоді стався успішний вибух першої атомної бомби під час випробування “Трініті”. Цей тест підтвердив теоретичну та експериментальну роботу, яку ретельно розробили Чедвік та його колеги. Незабаром було скинуто атомну бомбу на Японію, яка ознаменувала закінчення Другої світової війни.
Після закінчення Другої світової війни Чедвік почав активно виступати за мирне використання ядерних технологій. Він глибоко усвідомлював руйнівний потенціал атомної бомби та присвятив більшу частину своєї подальшої кар’єри сприянню ядерному роззброєнню та міжнародному науковому співробітництву. Він до кінця своїх днів був відданий дослідженням у галузі фізики.
Видатний вчений помер у 1974 році, у віці 82 років.