السير جيمس تشادويك (20 أكتوبر 1891 - 24 يوليو 1974)، عالم فيزياء تجريبي بريطاني متميز، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1935 لاكتشافه الرائد للنيوترون. امتدت مساهماته الهامة إلى تقرير MAUD، حيث قام بتأليف مسودته النهائية في عام 1941، وهي وثيقة ساعدت في دفع حكومة الولايات المتحدة لبدء أبحاث جوهرية في مجال القنبلة الذرية. خلال الحرب العالمية الثانية، قاد تشادويك الوحدة البريطانية المشاركة في مشروع مانهاتن. وتقديرًا لإنجازاته العميقة في الفيزياء النووية، حصل على وسام الفروسية في بريطانيا عام 1945.
السير جيمس تشادويك (20 أكتوبر 1891 - 24 يوليو 1974) كان عالم فيزياء تجريبي بريطاني حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1935 لاكتشافه النيوترون. وفي عام 1941، كتب المسودة النهائية لتقرير MAUD، الذي ألهم حكومة الولايات المتحدة لبدء جهود بحثية جادة في مجال القنبلة الذرية. وكان رئيس الفريق البريطاني الذي عمل في مشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية. حصل على لقب فارس في بريطانيا عام 1945 لإنجازاته في الفيزياء النووية.
أكمل تشادويك دراسته الجامعية في جامعة فيكتوريا بمانشستر عام 1911، حيث كان يشرف عليه إرنست رذرفورد، المعروف على نطاق واسع بأنه "أبو الفيزياء النووية". واصل دراساته العليا تحت إشراف رذرفورد في مانشستر، وحصل على درجة الماجستير في العلوم عام 1913. وفي نفس العام، حصل تشادويك على زمالة بحثية عام 1851 من الهيئة الملكية لمعرض عام 1851، واختار متابعة البحث حول إشعاع بيتا مع هانز جيجر في برلين. باستخدام عداد جيجر المبتكر، أثبت تشادويك بشكل قاطع أن إشعاع بيتا يظهر طيفًا مستمرًا، متحديًا الاعتقاد السائد بأنه ينتج خطوطًا منفصلة. انقطعت فترة وجوده في ألمانيا بسبب اندلاع الحرب العالمية الأولى، مما أدى إلى اعتقاله لمدة أربع سنوات في معسكر روهلبن.
بعد الحرب العالمية الأولى، انضم تشادويك إلى رذرفورد في مختبر كافنديش، جامعة كامبريدج، حيث حصل على درجة الدكتوراه في الفلسفة في يونيو 1921، تحت إشراف رذرفورد من خلال كلية جونفيل وكايوس. لأكثر من عشر سنوات، شغل منصب مساعد مدير أبحاث رذرفورد في مختبر كافنديش، الذي كان آنذاك مركزًا عالميًا بارزًا لأبحاث الفيزياء، حيث اجتذب طلابًا بارزين مثل جون كوكروفت، ونورمان فيذر، ومارك أوليفانت. بعد اكتشافه للنيوترون، شرع تشادويك في قياس كتلته، متوقعًا إمكاناته كأداة مهمة في علاج السرطان. في عام 1935، غادر تشادويك مختبر كافنديش ليتولى منصب الأستاذية في الفيزياء في جامعة ليفربول، حيث قام بتحديث مختبر قديم وجعله مركزًا مهمًا لدراسات الفيزياء النووية عن طريق تركيب سيكلوترون.
الحياة المبكرة والتعليم
ولد جيمس تشادويك في شيشاير، إنجلترا، في 20 أكتوبر 1891، وهو الابن الأكبر لجون جوزيف تشادويك، الذي كان يعمل في غزل القطن، وآن ماري نولز، خادمة المنزل. حصل على اسمه جيمس تكريما لجده لأبيه. في عام 1895، انتقل والديه إلى مانشستر، وعهدوا برعايته إلى أجداده من جهة الأم. التحق تشادويك بمدرسة بولينغتون كروس الابتدائية وتلقى بعد ذلك عرضًا للمنحة الدراسية في مدرسة مانشستر النحوية؛ لكن عائلته رفضت بسبب عدم قدرتها على تغطية الرسوم المتواضعة المتبقية. ونتيجة لذلك، التحق بالمدرسة النحوية المركزية للبنين في مانشستر، حيث التقى بوالديه. في هذا الوقت، كان لديه شقيقان أصغر منه، هاري وهيوبرت. توفيت أخت كبيرة في سن الطفولة. في سن السادسة عشرة، تنافس تشادويك بنجاح للحصول على منحتين جامعيتين، وحصل على كليهما.
في عام 1908، التحق تشادويك بجامعة فيكتوريا في مانشستر، وكان ينوي متابعة الرياضيات ولكنه سجل عن غير قصد في الفيزياء. تماشيًا مع العديد من الطلاب في عصره، كان يقيم في المنزل، ويتنقل مسافة 4 أميال (6.4 كم) يوميًا من وإلى الجامعة. بعد عامه الأول، حصل على منحة هيجينبوتوم لدراسات الفيزياء. قام قسم الفيزياء، تحت قيادة إرنست رذرفورد، بتعيين مشاريع بحثية لطلاب السنة النهائية. كلف رذرفورد تشادويك بتطوير طريقة لمقارنة مخرجات الطاقة الإشعاعية لمصدرين مختلفين. يتضمن المفهوم المقترح تحديد كمية هذه المصادر بناءً على نشاط 1 جرام (0.035 أونصة) من الراديوم، وهي وحدة عُرفت لاحقًا باسم الكوري. على الرغم من إدراك تشادويك لعدم جدوى اقتراح رذرفورد الأولي - وهو القلق الذي تردد في التعبير عنه - إلا أنه ثابر وقام في نهاية المطاف بصياغة المنهجية المطلوبة. شكلت هذه النتائج منشور تشادويك الافتتاحي، الذي شارك في تأليفه مع رذرفورد، والذي ظهر عام 1912. وأكمل شهادته بمرتبة الشرف الأولى في عام 1911.
بعد تطوير طريقة لقياس إشعاع جاما، شرع تشادويك في تحديد كمية امتصاصه بواسطة الغازات والسوائل المختلفة. تم إصدار المنشور الناتج باسمه فقط. وفي عام 1912 حصل على درجة الماجستير. وعين زميل باير. وفي العام التالي، حصل على منحة دراسية للمعارض عام 1851، مما سهّل مواصلة الدراسة والبحث في إحدى جامعات أوروبا القارية. في عام 1913، اختار الانضمام إلى Physikalisch-Technische Reichsanstalt في برلين للتحقيق في إشعاع بيتا تحت قيادة هانز جيجر. باستخدام عداد جيجر الذي ابتكره مؤخرًا، والذي قدم دقة فائقة مقارنة بتقنيات التصوير الفوتوغرافي السابقة، أثبت تشادويك أن إشعاع بيتا لم يظهر خطوطًا منفصلة، كما كان يُنظر إليه سابقًا، بل طيفًا مستمرًا يتميز بقمم في مناطق محددة. خلال "" ظلت ظاهرة الطيف المستمر دون حل لسنوات عديدة.
كان تشادويك لا يزال في ألمانيا عندما بدأت الحرب العالمية الأولى، مما أدى إلى اعتقاله في معسكر روهلبن بالقرب من برلين. وهناك، سُمح له بإنشاء مختبر في الإسطبلات وإجراء تجارب علمية باستخدام مواد مرتجلة، بما في ذلك معجون الأسنان المشع. وبالتعاون مع تشارلز دروموند إليس، قام بالتحقيق في تأين الفوسفور والتفاعل الكيميائي الضوئي بين أول أكسيد الكربون و بعد الهدنة مع ألمانيا في نوفمبر 1918، تم إطلاق سراحه وعاد إلى منزل والديه في مانشستر، حيث قام بتجميع نتائج أبحاثه من السنوات الأربع السابقة لمفوضي معرض 1851.
عرض رذرفورد على تشادويك منصبًا تدريسيًا بدوام جزئي في مانشستر، مما مكنه من مواصلة مساعيه البحثية، وقام بالتحقيق في الشحنة النووية للبلاتين والفضة والنحاس، وحدد تجريبيًا أنها تتوافق مع العدد الذري. هامش خطأ أقل من 1.5% في أبريل 1919، تولى رذرفورد إدارة مختبر كافنديش في جامعة كامبريدج، وانضم إليه تشادويك هناك بعد بضعة أشهر. حصل تشادويك على منحة كاتب ماكسويل في عام 1920، ثم التحق كمرشح للحصول على درجة الدكتوراه في كلية جونفيل وكايوس، كامبريدج نواة حصل على شهادته في يونيو 1921 وأصبح زميلًا في كلية جونفيل وكايوس في نوفمبر من نفس العام.
المهنة والبحث
كامبريدج
اختتمت دراسة تشادويك لكليرك ماكسويل في عام 1923، وخلفه الفيزيائي الروسي بيوتر كابيتزا. قام السير ويليام ماكورميك، رئيس المجلس الاستشاري لقسم البحوث العلمية والصناعية، بترتيب تعيين تشادويك ليصبح مساعد مدير أبحاث رذرفورد. وبهذه الصفة، ساعد تشادويك رذرفورد في اختيار درجة الدكتوراه. الطلاب، وهي المجموعة التي ضمت على مدى السنوات اللاحقة جون كوكروفت، ونورمان فيذر، ومارك أوليفانت، وجميعهم طوروا صداقات وثيقة مع تشادويك. ونظرًا لافتقار العديد من الطلاب إلى اهتمامات بحثية محددة، اقترح رذرفورد وتشادويك في كثير من الأحيان موضوعات مناسبة. كما كان تشادويك مسؤولاً عن تحرير كافة الأوراق العلمية التي ينتجها المختبر.
في عام 1925، التقى تشادويك بأيلين ستيوارت براون، ابنة سمسار البورصة في ليفربول. تزوجا في أغسطس 1925، وكان كابيتزا أفضل رجل. رحب الزوجان بابنتين توأم، جوانا وجوديث، في فبراير 1927.
في أبحاثه المستمرة، واصل تشادويك التحقيق في النواة الذرية. بحلول عام 1925، كان مفهوم الدوران قد قدم تفسيرًا لتأثير زيمان، ولكنه في الوقت نفسه قدم حالات شاذة لم يتم حلها. في ذلك الوقت، كانت النظرية السائدة تفترض أن النواة تتكون من بروتونات وإلكترونات؛ على سبيل المثال، يُفترض أن نواة النيتروجين ذات العدد الكتلي 14 تحتوي على 14 بروتونًا و7 إلكترونات. في حين أن هذا النموذج قد حسب بشكل صحيح كتلة النواة وشحنتها، إلا أنه فشل في التوفيق بين دورانها المرصود.
خلال مؤتمر عقد في كامبريدج عام 1928 ركز على جسيمات بيتا وأشعة جاما، أعاد تشادويك الاتصال بجيجر. قدم جيجر نسخة محسنة من عداد جيجر الخاص به، والتي قام بصقلها تلميذه فالتر مولر. نظرًا لأنه لم يستخدم مثل هذا الجهاز منذ الحرب، فقد أدرك تشادويك إمكانات عداد جيجر-مولر باعتباره تقدمًا كبيرًا على طرق التلألؤ السائدة في كامبريدج، والتي استلزمت المراقبة البصرية البشرية. ومع ذلك، كان القيد الأساسي لها هو اكتشافها لإشعاعات ألفا وبيتا وجاما؛ وبالتالي، أثبت الراديوم، المستخدم بشكل روتيني في تجارب مختبر كافنديش وينبعث منه الأنواع الثلاثة، أنه غير مناسب لأهداف تشادويك البحثية المحددة. ومع ذلك، فإن البولونيوم، باعتباره باعثًا حصريًا لألفا، قدم بديلاً قابلاً للتطبيق، وأرسلت ليز مايتنر بعد ذلك ما يقرب من 2 ملي كوري (أي ما يعادل حوالي 0.5 ميكروجرام) منه إلى تشادويك من ألمانيا.
ليفربول
أدى ظهور الكساد الكبير في المملكة المتحدة إلى زيادة التحفظ المالي الحكومي فيما يتعلق بالتمويل العلمي. في الوقت نفسه، قدم السيكلوترون المبتكر الذي ابتكره إرنست لورانس آفاقًا ثورية للفيزياء النووية التجريبية، مما أثار قلق تشادويك من أن مختبر كافنديش سيصبح عتيقًا من الناحية التكنولوجية دون الحصول على مثل هذه الأداة. ونتيجة لذلك، شعر تشادويك بالإحباط من رذرفورد، الذي حافظ على قناعته بأن أبحاث الفيزياء النووية المهمة يمكن أن تستمر دون الحاجة إلى أجهزة كبيرة ومكلفة، وبالتالي رفض اقتراح السيكلوترون.
كان تشادويك ناقدًا بارزًا لـ "العلم الكبير" بشكل عام، وخاصةً للورانس، الذي اعتبر منهجيته غير دقيقة وتعتمد بشكل مفرط على التكنولوجيا على حساب البحث العلمي الأساسي. في مؤتمر سولفاي عام 1933، عندما افترض لورانس وجود جسيم جديد لم يُكتشف من قبل كمصدر محتمل للطاقة اللانهائية، رد تشادويك بأن الظواهر المرصودة تم تفسيرها بشكل أكثر معقولية من خلال تلوث المعدات. أعاد لورانس بعد ذلك تقييم النتائج التي توصل إليها في بيركلي، مؤكدًا تقييم تشادويك، بينما أجرى رذرفورد وأوليفانت تحقيقًا متزامنًا في مختبر كافنديش، والذي كشف أن اندماج الديوتيريوم مع الهيليوم -3 كان مسؤولاً عن التأثير الذي لاحظه لورانس في البداية. يمثل هذا إنجازًا علميًا مهمًا آخر، على الرغم من أنه تم تحقيقه باستخدام مسرع الجسيمات أوليفانت-رذرفورد، وهو أداة مكلفة ومتقدمة. في مارس 1935، مُدد تشادويك عرضًا لكرسي ليون جونز للفيزياء في جامعة ليفربول، الواقعة في مسقط رأس زوجته، خلفًا لليونيل ويلبرفورس. على الرغم من الحالة القديمة للمختبر، الذي يعمل فقط على كهرباء التيار المباشر، قبل تشادويك المنصب، وبدأ فترة ولايته في 1 أكتوبر 1935. وقد تعززت المكانة الأكاديمية للجامعة لاحقًا بإعلان تشادويك عن جائزة نوبل في نوفمبر 1935. وتم بيع ميدالية نوبل التي حصل عليها في وقت لاحق بالمزاد العلني في عام 2014، حيث بيعت بمبلغ 329000 دولار.
بدأ تشادويك جهوده لشراء سيكلوترون لجامعة ليفربول. تضمنت خطوته الأولية تخصيص 700 جنيه إسترليني لتجديد مختبرات ليفربول القديمة، مما أتاح التصنيع الداخلي لمكونات معينة. نجح في الحصول على 2000 جنيه إسترليني من الجامعة ومنحة إضافية بقيمة 2000 جنيه إسترليني من الجمعية الملكية. من أجل بناء السيكلوترون، قام تشادويك بتوظيف اثنين من المتخصصين الشباب، برنارد كينزي وهارولد ووك، وكلاهما كان لهما خبرة سابقة مع لورانس في جامعة كاليفورنيا. ساهم مصنع الكابلات المحلي بالموصل النحاسي اللازم للملفات. قامت شركة متروبوليتان فيكرز، الواقعة في ترافورد بارك، بتصنيع مغناطيس السيكلوترون الذي يبلغ وزنه 50 طنًا وأنتجت أيضًا حجرته المفرغة. بحلول يوليو 1939، تم تركيب السيكلوترون بالكامل وتشغيله. التكلفة الإجمالية، التي بلغ مجموعها 5.184 جنيهًا إسترلينيًا، تجاوزت المساهمات المجمعة من الجامعة والجمعية الملكية؛ وبالتالي، قام تشادويك شخصيًا بتغطية الرصيد المتبقي باستخدام أموال من جائزة نوبل البالغة 159,917 كرونة (8,243 جنيهًا إسترلينيًا).
في جامعة ليفربول، حافظت كليات الطب والعلوم على علاقة تعاون وثيقة. حصل تشادويك على عضوية اللجنة التلقائية في كلتا الكليتين، وفي عام 1938، تم تعيينه في لجنة برئاسة اللورد ديربي، المكلفة بفحص أحكام علاج السرطان داخل ليفربول. تصور تشادويك أن النيوترونات والنظائر المشعة الناتجة عن السيكلوترون مقاس 37 بوصة يمكن أن تكون مفيدة في أبحاث الكيمياء الحيوية وربما تكون بمثابة أداة علاجية في علم الأورام.
اكتشاف النيوترون
في ألمانيا، استخدم فالتر بوث وتلميذه هربرت بيكر البولونيوم لقصف البيريليوم بجسيمات ألفا، مما أدى إلى توليد شكل غير طبيعي من الإشعاع. بعد ذلك، كلف جيمس تشادويك باحثه الأسترالي في معرض عام 1851، هيو ويبستر، بتكرار هذه النتائج. فسر تشادويك هذه الملاحظات على أنها تأكيد لفرضية طويلة الأمد شاركها مع إرنست رذرفورد: وجود النيوترون، وهو جسيم نووي نظري خالٍ من الشحنة الكهربائية. بعد ذلك، في يناير 1932، نبه نورمان فيذر تشادويك إلى نتيجة أخرى غير متوقعة. نجح فريديريك وإيرين جوليو كوري في إخراج البروتونات من شمع البارافين، باستخدام البولونيوم والبريليوم كمصدر لما يفترض أنه إشعاع غاما. اعترض رذرفورد وتشادويك على هذا التفسير، بحجة أن البروتونات كانت ضخمة للغاية بالنسبة لمثل هذا التفاعل مع أشعة جاما. وعلى العكس من ذلك، لن تحتاج النيوترونات إلا إلى الحد الأدنى من الطاقة لتحقيق التأثير المماثل. في الوقت نفسه، في روما، توصل إيتوري ماجورانا بشكل مستقل إلى نفس النتيجة: اكتشف جوليو-كوري النيوترون عن غير قصد دون التعرف على طبيعته الحقيقية.
علق تشادويك جميع التزاماته الأخرى للتركيز على إثبات وجود النيوترون، وتلقي المساعدة من فيذر، والعمل في كثير من الأحيان حتى ساعات متأخرة. لقد صمم إعدادًا تجريبيًا مباشرًا يشتمل على أسطوانة تحتوي على مصدر البولونيوم وهدف البريليوم. ثم يتم توجيه الإشعاع المنبعث نحو مادة مثل شمع البارافين. دخلت الجسيمات المقذوفة، والتي تم تحديدها على أنها بروتونات، بعد ذلك إلى غرفة تأين صغيرة حيث يمكن اكتشافها عبر راسم الذبذبات. في فبراير 1932، بعد حوالي أسبوعين من تجارب النيوترونات، أرسل تشادويك خطابًا إلى الطبيعة، بعنوان "احتمال وجود نيوترون". وبعد ذلك، قام بتفصيل النتائج التي توصل إليها في مقال أُرسل إلى Proceedings of the Royal Society A في شهر مايو، بعنوان "وجود النيوترون". يمثل تحديده للنيوترون تقدمًا محوريًا في فهم الفيزياء النووية. عند مراجعة منشورات تشادويك، أدرك روبرت باشر وإدوارد كوندون أن التناقضات النظرية الموجودة، مثل الدوران النووي للنيتروجين، يمكن حلها إذا كان النيوترون يمتلك دورانًا قدره 1/2 وإذا كانت نواة النيتروجين تتألف من سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات.
بحث الفيزيائيان النظريان نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ فيما إذا كان النيوترون يشكل جسيمًا نوويًا أساسيًا، أقرب إلى البروتون والإلكترون، وليس مركب بروتون-إلكترون. أثبت هايزنبرغ أن النيوترون تم وصفه بدقة أكبر على أنه جسيم نووي جديد، على الرغم من أن خصائصه الدقيقة ظلت غير محددة. خلال محاضرة بيكر التي ألقاها عام 1933، حسب تشادويك كتلة النيوترون بحوالي 1.0067 Da. نظرًا لأن كتلة البروتون والإلكترون معًا تبلغ 1.0078 u، فإن هذا يشير إلى أن النيوترون، إذا تم اعتباره مركب بروتون-إلكترون، سيكون له طاقة ربط تبلغ تقريبًا 92 MeV. في حين أن هذه القيمة تبدو معقولة، فإن استقرار الجسيم مع الحد الأدنى من طاقة الارتباط يشكل تحديًا مفاهيميًا. ومع ذلك، فإن تحديد مثل هذا الاختلاف الدقيق في الكتلة استلزم قياسات دقيقة للغاية، مما أدى إلى العديد من النتائج المتناقضة بين عامي 1933 و1934. على سبيل المثال، أبلغ فريديريك وإيرين جوليو كوري عن قيمة كبيرة لكتلة النيوترونات من خلال قصف جسيمات ألفا للبورون، في حين حصلت مجموعة إرنست لورانس في جامعة كاليفورنيا على قيمة أصغر. بعد ذلك، اقترح موريس جولدهابر، وهو لاجئ من ألمانيا النازية وطالب دراسات عليا في مختبر كافنديش، على تشادويك أن الديوترونات يمكن أن تخضع للتحلل الضوئي عند تعرضها لأشعة جاما بقوة 2.6 ميغا إلكترون فولت المنبعثة من 208Tl (المعروفة آنذاك باسم الثوريوم C").
- قدمت هذه العملية تحديدًا طريقة لتحديد كتلة النيوترون بدقة. نفذ تشادويك وغولدابر هذا النهج وأكدا فعاليته. وقاموا بقياس الطاقة الحركية للبروتون الناتج عند 1.05 ميغا إلكترون فولت، وبالتالي عزلوا كتلة النيوترون باعتبارها المتغير الوحيد غير المعروف في حساباتهم. حسب تشادويك وغولدهابر كتلة النيوترون لتكون إما 1.0084 أو 1.0090 وحدة ذرية، اعتمادًا على قيم الكتلة المحددة المستخدمة للبروتون والديوترون. (قيمة الكتلة المقبولة حاليًا للنيوترون هي 1.00866 دا.) كانت الكتلة المحددة للنيوترون كبيرة جدًا بحيث لا تتوافق مع تركيبة زوج البروتون والإلكترون.
ويمكن تحديد قيمة دقيقة لكتلة النيوترون من خلال هذه العملية. جرب تشادويك وجولدهابر ذلك ووجدا أنه نجح. وقاموا بقياس الطاقة الحركية للبروتون الناتج بـ 1.05 ميغا إلكترون فولت، تاركين كتلة النيوترون مجهولة في المعادلة. حسب تشادويك وغولدهابر أنها كانت إما 1.0084 أو 1.0090 وحدة ذرية، اعتمادًا على القيم المستخدمة لكتلة البروتون والديوترون. (القيمة المقبولة الحديثة لكتلة النيوترون هي 1.00866 Da.) وكانت كتلة النيوترون أكبر من أن تكون زوجًا من البروتون والإلكترون.
حصل تشادويك على العديد من الأوسمة لاكتشافه النيوترون، بما في ذلك وسام هيوز في عام 1932، وجائزة نوبل في الفيزياء في عام 1935، وميدالية كوبلي في عام 1950، وميدالية فرانكلين في عام 1951. وقد مكن هذا الاكتشاف المحوري من التوليف المختبري لعناصر ما بعد اليورانيوم من خلال التقاط النيوترونات البطيئة يليها اضمحلال بيتا. وعلى النقيض من جسيمات ألفا موجبة الشحنة، والتي تتعرض للتنافر من القوى الكهربائية داخل النوى الذرية، فإن النيوترونات لا تخضع لحاجز كولوم. وبالتالي، يمكنها بسهولة اختراق نوى العناصر الأثقل، مثل اليورانيوم، والاندماج فيها. دفعت هذه الخاصية إنريكو فيرمي إلى استكشاف التفاعلات النووية الناجمة عن تصادمات النيوترونات البطيئة، وهو المسعى الذي أكسبه جائزة نوبل عام 1938.
في 4 ديسمبر 1930، افترض فولفغانغ باولي وجود جسيم جديد لتوضيح الطيف المستمر لإشعاع بيتا، وهي ظاهرة وثقها تشادويك في عام 1914. أدى التناقض الواضح في الحفاظ على الطاقة، حيث لم يتم أخذ كل طاقة إشعاع بيتا في الاعتبار، إلى دفع باولي إلى اقتراح ضرورة وجود جسيم إضافي لم يتم اكتشافه بعد. أشار باولي في البداية إلى هذا الجسيم على أنه نيوترون، لكنه كان مختلفًا عن اكتشاف تشادويك. أعاد فيرمي تسميته لاحقًا إلى النيوترينو، وهو مشتق من الكلمة الإيطالية التي تعني "نيوترون صغير". في عام 1934، قدم فيرمي نظريته حول اضمحلال بيتا، مفترضًا أن الإلكترونات المنبعثة من النواة نشأت من اضمحلال نيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. في حين أن النيوترينو يمكن أن يفسر الطاقة المفقودة، إلا أن كتلته الضئيلة وافتقاره إلى الشحنة الكهربائية جعل من الصعب اكتشافه. حسب رودولف بيرلز وهانز بيث أن النيوترينوات يمكنها اجتياز الأرض بسهولة، مما يشير إلى احتمالية منخفضة للمراقبة. ومع ذلك، أكد فريدريك رينز وكلايد كوان تجريبيًا وجود النيوترينو في 14 يونيو 1956، عن طريق وضع كاشف داخل تدفق كبير من النيوترينو المضاد المنبعث من مفاعل نووي قريب.
الحرب العالمية الثانية
مشروع سبائك الأنابيب وتقرير MAUD
خلال الحرب العالمية الثانية، انخرط تشادويك في الأبحاث لمشروع سبائك الأنبوب، الذي كان يهدف إلى تطوير قنبلة ذرية، بالتزامن مع مختبره في مانشستر والمناطق المحيطة به التي تعرضت للقصف الجوي من قبل سلاح الجو الألماني. بعد اتفاقية كيبيك، التي دمجت مبادرته مع مشروع مانهاتن الأمريكي، انضم تشادويك إلى البعثة البريطانية، وقام بالعمل في مختبر لوس ألاموس وفي واشنطن العاصمة. ومن الجدير بالذكر أنه حصل على ثقة شبه كاملة من مدير المشروع ليزلي آر جروفز الابن. وتقديرًا لمساهماته، حصل تشادويك على وسام الشرف للعام الجديد في 1 يناير 1945. وفي يوليو 1945، لاحظ اختبار ترينيتي النووي. وبعد ذلك، شغل منصب المستشار العلمي البريطاني لهيئة الطاقة الذرية التابعة للأمم المتحدة. وتعبيرًا عن عدم ارتياحه تجاه الاتجاه المزدهر لـ "العلم الكبير"، عاد إلى كامبريدج، وتولى منصب الماجستير في كلية غونفيل وكيوس في عام 1948.
في ألمانيا، أجرى أوتو هان وفريتز ستراسمان تجارب قصف اليورانيوم بالنيوترونات، ولاحظوا إنتاج الباريوم، وهو عنصر أخف، من بين منتجات التفاعل. في السابق، كانت مثل هذه العمليات تنتج فقط عناصر ذات كتلة ذرية مساوية أو أكبر. في يناير 1939، نشرت ليز مايتنر وابن أخيها أوتو فريش ورقة بحثية مؤثرة أوضحت هذه النتيجة غير المتوقعة، مما أسر مجتمع الفيزياء. وافترضوا أن ذرات اليورانيوم، عند تعرضها لقصف نيوتروني، يمكن أن تنقسم إلى شظيتين متساويتين تقريبًا، وهي عملية أطلقوا عليها اسم الانشطار النووي. أشارت حساباتهم إلى إطلاق طاقة يبلغ حوالي 200 ميغا إلكترون فولت، مما يدل على أن حجم إنتاج الطاقة يتجاوز حجم التفاعلات الكيميائية، وهي نظرية تم التحقق من صحتها لاحقًا من قبل فريش تجريبيًا. وسرعان ما أدرك هان أنه إذا تم تحرير النيوترونات أثناء الانشطار، فمن الممكن أن يبدأ التفاعل النووي المتسلسل. أكد العلماء الفرنسيون بيير جوليو، وهانز فون هالبان، ولو كوارسكي لاحقًا أنه في الواقع ينبعث أكثر من نيوترون واحد في كل حدث انشطار. وفي بحث تعاوني مع الفيزيائي الأمريكي جون ويلر، وضع نيلز بور نظرية مفادها أن الانشطار كان أكثر احتمالا في نظير اليورانيوم 235، الذي يشكل 0.7 بالمائة فقط من اليورانيوم الموجود طبيعيا.
لم يصدق تشادويك احتمال نشوب حرب أخرى مع ألمانيا في عام 1939، فأخذ عائلته إلى بحيرة منعزلة في شمال السويد لقضاء عطلة. وبالتالي، كان إعلان الحرب العالمية الثانية بمثابة صدمة عميقة. عازمًا على تجنب الاعتقال، سافر تشادويك بسرعة إلى ستوكهولم مع عائلته، ليكتشف أن جميع الرحلات الجوية بين ستوكهولم ولندن قد تم تعليقها. تمت رحلة عودتهم إلى إنجلترا على متن باخرة متشردة. عند وصوله إلى ليفربول، التقى تشادويك بجوزيف روتبلات، زميل ما بعد الدكتوراه البولندي الذي كان ينوي التعاون في مشروع السيكلوترون ولكنه أصبح الآن بدون دعم مالي بسبب قطع الأموال عن بولندا. قام تشادويك على الفور بتعيين روتبلات كمحاضر، على الرغم من كفاءته المحدودة في اللغة الإنجليزية.
في أكتوبر 1939، طلب إدوارد أبليتون، سكرتير إدارة البحوث العلمية والصناعية، تقييم تشادويك فيما يتعلق بصلاحية القنبلة الذرية. كان رد تشادويك حذرا. وفي حين أنه لم يستبعد هذا المفهوم، فقد قام بتفصيل التحديات النظرية والعملية العديدة بدقة. بعد ذلك، اختار تشادويك إجراء مزيد من التحقيق في خصائص أكسيد اليورانيوم مع روتبلات. بحلول مارس 1940، قام أوتو فريش ورودولف بيرلز في جامعة برمنغهام بإعادة النظر في هذه الاعتبارات النظرية في وثيقة سُميت فيما بعد بمذكرة فريش-بيرلز. تحول تحليلهم من أكسيد اليورانيوم غير المخصب إلى كرة من اليورانيوم 235 النقي، وكشف أن التفاعل المتسلسل لم يكن ممكنًا فحسب، بل يمكن أن يبدأ بكمية قليلة تصل إلى 1 كيلوجرام (2.2 رطل) من اليورانيوم 235، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة تعادل أطنانًا من الديناميت.
لمزيد من دراسة هذه القضية، تم إنشاء لجنة فرعية متخصصة تابعة للجنة المسح العلمي للحرب الجوية (CSSAW)، والتي تم تسميتها بلجنة MAUD. برئاسة جورج باجيت طومسون، وكان من بين أعضائها الأوائل تشادويك، ومارك أوليفانت، وجون كوكروفت، وفيليب مون. وبينما استكشفت مجموعات أخرى منهجيات تخصيب اليورانيوم، ركز فريق تشادويك في ليفربول على التأكد من المقطع العرضي النووي لليورانيوم 235. بحلول أبريل 1941، أكدت البيانات التجريبية أن الكتلة الحرجة لليورانيوم 235 يمكن أن تكون 8 كيلوغرامات (18 رطلاً) أو أقل. تم إعاقة هذا البحث بشكل كبير بسبب القصف الجوي المستمر من قبل القوات الجوية الألمانية بالقرب من مختبره في ليفربول، والذي أدى في كثير من الأحيان إلى تحطيم النوافذ، مما استلزم استبدالها بالكرتون.
في يوليو 1941، تم تكليف تشادويك بصياغة النسخة النهائية لتقرير مود. هذه الوثيقة، التي قدمها فانيفار بوش إلى الرئيس فرانكلين روزفلت في أكتوبر 1941، دفعت الحكومة الأمريكية إلى تخصيص أموال كبيرة لتطوير القنبلة الذرية. أثناء مقابلة بيغرام وهارولد أوري لتقييم التقدم المحرز في المشروع، الذي كان يُعرف آنذاك باسم سبائك الأنبوب، نقل تشادويك إدانته قائلاً: "أتمنى أن أخبرك أن القنبلة لن تنجح، لكنني متأكد بنسبة 90 في المائة من أنها ستنجح".
وأكد جراهام فارميلو، في منشور معاصر يتعلق بمبادرة القنبلة الذرية، أن "تشادويك فعل أكثر من أي عالم آخر لإعطاء تشرشل القنبلة.... تم اختبار تشادويك تقريبًا حتى النهاية". نقطة." أدى قلقه العميق، الذي أعاق نومه، إلى اعتماد تشادويك على الحبوب المنومة في معظم حياته اللاحقة. أعرب تشادويك في وقت لاحق عن إدراكه بأن "القنبلة النووية لم تكن ممكنة فحسب، بل كانت حتمية. وعاجلاً أم آجلاً لا يمكن أن تكون هذه الأفكار غريبة علينا. فالجميع سوف يفكرون بها قبل فترة طويلة، وسوف تضعها دولة ما موضع التنفيذ." افترض السير هيرمان بوندي أنه كان من قبيل الصدفة أن تشادويك، وليس رذرفورد، هو الذي احتل مكانة بارزة في فيزياء المملكة المتحدة خلال تلك الحقبة، حيث أن سمعة رذرفورد الراسخة ربما طغت على تعامل تشادويك التطلعي مع إمكانات القنبلة.
مشروع مانهاتن
بسبب التهديد بالقصف الجوي، قامت عائلة تشادويك بإجلاء توأميها إلى كندا بموجب مخطط حكومي. في الوقت نفسه، أعرب تشادويك عن تحفظاته بشأن نقل مشروع Tube Alloys إلى كندا، مؤكدًا مدى ملاءمة المملكة المتحدة لمنشأة لفصل النظائر. بحلول عام 1942، أصبح الحجم الهائل للمشروع واضحًا: حتى مصنع الفصل الأولي كان من المتوقع أن يتجاوز مليون جنيه إسترليني، مما فرض ضرائب شديدة على الموارد البريطانية، في حين قُدرت تكلفة إنشاء منشأة كاملة النطاق بحوالي 25 مليون جنيه إسترليني. ونتيجة لذلك، أصبح البناء في أمريكا أمرا حتميا. وعلى الرغم من إدراك البريطانيين لضرورة المسعى التعاوني، إلا أن التقدم السريع في مشروع مانهاتن الأمريكي أدى إلى تقليص الأهمية الملموسة للتعاون البريطاني، على الرغم من الاهتمام الأمريكي بالاستفادة من خبرة تشادويك.
يتطلب حل قضية التعاون الدولي مشاركة دبلوماسية رفيعة المستوى. في سبتمبر 1943، قام رئيس الوزراء ونستون تشرشل والرئيس روزفلت بإضفاء الطابع الرسمي على اتفاقية كيبيك، التي أعادت تأسيس الجهود التعاونية بين بريطانيا والولايات المتحدة وكندا. بعد ذلك، استدعى السير والاس أكيرز، مدير شركة Tube Alloys، تشادويك وأوليفانت وبيرلز وسيمون إلى الولايات المتحدة للمساهمة في مشروع مانهاتن. كما أنشأت اتفاقية كيبيك أيضًا لجنة سياسات مشتركة جديدة للإشراف على المبادرة المشتركة. نظرًا للتحفظات الأمريكية بشأن أكيرز، تم تعيين تشادويك كمستشار فني لهذه اللجنة وعُين رئيسًا للبعثة البريطانية.
بعد تكليف روتبلات بمسؤوليات في ليفربول، بدأ تشادويك جولة شاملة في منشآت مشروع مانهاتن في نوفمبر 1943. والجدير بالذكر أنه مُنع من الوصول إلى موقع هانفورد، حيث تم تصنيع البلوتونيوم. هذا الامتياز الفريد جعله الشخص الوحيد، باستثناء غروفز ونائبه، الذي تمكن من الدخول إلى جميع منشآت البحث والإنتاج الأمريكية المخصصة لقنبلة اليورانيوم. عند مراقبة بناء منشأة نشر الغاز K-25 في أوك ريدج، تينيسي، أقر تشادويك بعدم جدوى بناء مثل هذا المصنع في بريطانيا في زمن الحرب، مدركًا أن حجمه الهائل كان سيجعل من المستحيل إخفائه عن Luftwaffe. في أوائل عام 1944، انتقل إلى لوس ألاموس، نيو مكسيكو، برفقة زوجته وتوأمهما، اللذين كانا قد تبنوا اللهجات الكندية في ذلك الوقت. وبالنسبة للبروتوكولات الأمنية، فقد اعتمد الاسم المستعار جيمس شافي.
واعترف تشادويك بأن المساعدة الأمريكية لم تكن ضرورية تمامًا، لكنه أدرك قدرتها على التعجيل بإكمال المشروع بنجاح. بالتعاون الوثيق مع اللواء ليزلي آر جروفز الابن، مدير مشروع مانهاتن، كرس تشادويك نفسه لدعم المبادرة. علاوة على ذلك، سعى بشكل استراتيجي إلى دمج العلماء البريطانيين في مكونات المشروع المختلفة، بهدف وضع الأساس لبرنامج الأسلحة النووية البريطاني بعد الحرب، وهو الالتزام الذي أيده بقوة. غالبًا ما واجهت الطلبات المقدمة من جروفز، والتي يتم توجيهها عبر تشادويك، لعلماء محددين، مقاومة أولية من شركاتهم أو وزاراتهم أو جامعاتهم، لتحل محلها الأولوية القصوى المخصصة لمشروع سبائك الأنبوب. وبالتالي، أثبتت الوحدة البريطانية أنها لا غنى عنها لتحقيق النجاح الشامل للمشروع.
على الرغم من امتلاك الموظفين البريطانيين معرفة لا مثيل لها بالمشروع، إلا أن تشادويك كان يفتقر باستمرار إلى إمكانية الوصول إلى موقع هانفورد. في عام 1946، عندما تلقى اللورد بورتال دعوة للقيام بجولة في هانفورد - المنشأة الوحيدة التي مُنع تشادويك من الدخول إليها أثناء الحرب - طلب تشادويك الإذن من جروفز لمرافقته. وافق غروفز لكنه حذر من أن الوصول إلى البوابة سيكون مقيدًا بشكل كبير في حالة وجود تشادويك. لمساهماته، مُنح تشادويك وسام الفروسية في مرتبة الشرف للعام الجديد في 1 يناير 1945، وهو وسام فسره على أنه اعتراف جماعي بمشروع Tube Alloys بأكمله.
بحلول أوائل عام 1945، كان تشادويك يقيم بشكل أساسي في واشنطن العاصمة، وانتقلت عائلته من لوس ألاموس إلى دوبونت سيركل في أبريل من ذلك العام. وحضر اجتماع لجنة السياسات المشتركة في 4 يوليو، حيث أكد المشير السير هنري ميتلاند ويلسون موافقة بريطانيا على استخدام القنبلة الذرية ضد اليابان. كان تشادويك حاضرًا أيضًا في تجربة ترينيتي النووية في 16 يوليو، حيث شهد تفجير أول قنبلة ذرية. يشتمل الجهاز على بادئ نيوتروني معدل بالبولونيوم والبريليوم، وهو تقدم تكنولوجي نابع من الطريقة التي استخدمها تشادويك لاكتشاف النيوترون قبل أكثر من عقد من الزمن. لاحظ ويليام ل. لورانس، مراسل نيويورك تايمز المكلف بمشروع مانهاتن، أنه "لم يحدث من قبل في التاريخ أن عاش أي إنسان ليرى اكتشافه يتجسد بمثل هذا التأثير الواضح على مصير الإنسان."
الحياة اللاحقة
بعد انتهاء الحرب، تم تعيين تشادويك في اللجنة الاستشارية للطاقة الذرية (ACAE) وعمل كمستشار علمي بريطاني لهيئة الطاقة الذرية التابعة للأمم المتحدة. لقد واجه خلافًا مع زميله عضو ACAE باتريك بلاكيت، الذي عارض قناعة تشادويك بأن بريطانيا تحتاج إلى أسلحة نووية خاصة بها؛ ومع ذلك، ساد منظور تشادويك في النهاية. عاد إلى بريطانيا في عام 1946، ليجد أمة لا تزال تتصارع مع التقنين ونقص الموارد في زمن الحرب.
في هذه المرحلة، سجل السير جيمس ماونتفورد، نائب رئيس جامعة ليفربول، في مذكراته أنه لم يقابل قط شخصًا "متعبًا جسديًا وعقليًا وروحيًا" مثل تشادويك، لأنه "لقد وصل إلى أعماق القرار الأخلاقي لدرجة أنه لا يتم استدعاء الرجال الأكثر حظًا حتى للنظر فيه... [و عانى] ... آلام المسؤولية التي لا تطاق تقريبًا الناشئة عن عمله العلمي'."
في سبتمبر 1949، زار إدوارد تيلر إنجلترا لمناقشة الطاقة النووية والسلامة، وتناول الطعام مع السير جيمس تشادويك وزوجته في مقر إقامتهما في كامبريدج. وبينما كانت زوجته محاورة جذابة، ظل السير جيمس متحفظًا بشكل مميز. ومع ذلك، عندما أدلى تيلر بتعليق غير مناسب بشأن الجنرال جروفز، أصبح تشادويك صريحًا بشكل ملحوظ، مؤكدًا أن المشروع لم يكن لينجح بدون جروفز، على الرغم من اعترافه بكراهية جروفز للبريطانيين.
في عام 1948، قبل تشادويك درجة الماجستير في كلية غونفيل وكايوس، كامبريدج. كان هذا المنصب مرموقًا لكنه كان يفتقر إلى السلطة الواضحة، حيث كان السيد بمثابة الرئيس الفخري بينما كانت السلطة الفعلية في أيدي مجلس مكون من 13 زميلًا، بما في ذلك السيد. بصفته أستاذًا، سعى تشادويك إلى رفع المكانة الأكاديمية للكلية. قام بتوسيع عدد الزمالات البحثية من 31 إلى 49 وسعى بنشاط لجذب مواهب جديدة. وشمل ذلك قرارات مثيرة للجدل، مثل تعيين عالم الكيمياء الحيوية الصيني تيان تشين تساو والاقتصادي المجري المولد بيتر باور في عام 1951. في حدث أطلق عليه اسم "ثورة الفلاحين"، صوت الزملاء بقيادة باتريك هادلي على خروج صديق قديم لتشادويك من المجلس، واستبداله بباور. تمت إزالة حلفاء إضافيين لتشادويك في السنوات اللاحقة، مما أدى إلى تقاعده في نوفمبر 1958. والجدير بالذكر أنه خلال فترة رئاسته، حصل فرانسيس كريك على درجة الدكتوراه. قام أحد الطلاب في كلية جونفيل وكايوس، جنبًا إلى جنب مع روزاليند فرانكلين وجيمس واتسون، بتوضيح بنية الحمض النووي.
بحلول السبعينيات، تدهورت صحة تشادويك، ونادرا ما غادر شقته، على الرغم من أنه سافر إلى ليفربول للاحتفال بعيد ميلاده الثمانين. لقد كان ملحدًا طوال حياته، وحافظ على نظرته العلمانية للعالم طوال سنواته الأخيرة. وافته المنية بسلام أثناء نومه في 24 يوليو 1974 في كامبريدج عن عمر يناهز 82 عامًا.
التعرف
العضوية
الجوائز
تكريم الفروسية
إحياء الذكرى
- يتم حفظ أوراق تشادويك الأرشيفية في مركز أرشيفات تشرشل في كامبريدج وهي متاحة للعامة.
- يقع مختبر تشادويك في جامعة ليفربول.
- تم إنشاء كرسي السير جيمس تشادويك للفيزياء التجريبية، الموجود أيضًا في جامعة ليفربول، في عام 1991 كجزء من الاحتفالات بالذكرى المئوية لميلاده.
- يضم مبنى جيمس تشادويك في جامعة مانشستر أجزاء من كلية الهندسة الكيميائية والعلوم التحليلية، بالإضافة إلى المركز الصناعي للهندسة المستدامة.
- وصفت لورنا أرنولد، المؤرخة الرسمية لهيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة، تشادويك بأنه "عالم فيزياء، وعالم دبلوماسي، ورجل طيب وحكيم وإنساني".
- تقع فوهة تشادويك على سطح القمر.
ملاحظات
المراجع
- "السير جيمس تشادويك، F.R.S." الطبيعة، 161 (4103): 964، 1948. بيب كود:1948Natur.161Q.964.. doi:10.1038/161964a0."السير جيمس تشادويك، دكتوراه في الطب، ودكتوراه في الطب، ودكتوراه في الطب: عيد ميلاده الثمانون." الفيزياء المعاصرة، 13 (3): 310، 1972. بيب كود:1972ConPh..13..310.. دوى:10.1080/00107517208205684.رذرفورد، إرنست؛ تشادويك، جيمس. إليس، تشارلز د. (2010). الإشعاع الناتج عن المواد المشعة (إعادة طبع الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 978-1-108-00901-0.نص مقابلة عن التاريخ الشفهي مع جيمس تشادويك أجريت في 15 أبريل 1969، وتم أرشفتها في المعهد الأمريكي للفيزياء، ومكتبة نيلز بور. المحفوظات (الجلسة الأولى).
- نص مقابلة التاريخ الشفهي مع جيمس تشادويك في 15 أبريل 1969، المعهد الأمريكي للفيزياء، مكتبة نيلز بور ومتحف نيلز بور. الأرشيف – الجلسة الأولى
- نسخة من مقابلة تاريخية شفهية مع جيمس تشادويك أجريت في 16 أبريل 1969، وتم أرشفتها في المعهد الأمريكي للفيزياء، ومكتبة نيلز بور. الأرشيف (الجلسة الثانية).
- نسخة من مقابلة تاريخية شفهية مع جيمس تشادويك أجريت في 17 أبريل 1969، وتم أرشفتها في المعهد الأمريكي للفيزياء، ومكتبة نيلز بور. الأرشيف (الجلسة الثالثة).
- نسخة من مقابلة تاريخية شفهية مع جيمس تشادويك أجريت في 20 أبريل 1969، وتم أرشفتها في المعهد الأمريكي للفيزياء، ومكتبة نيلز بور. المحفوظات (الجلسة الرابعة).
- جيمس تشادويك على موقع نوبل برايز