James Chadwick

Sir James Chadwick (20. Oktober 1891 – 24. Juli 1974), ein angesehener britischer Experimentalphysiker, wurde 1935 für seine bahnbrechende Entdeckung des Neutrons mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Seine bedeutenden Beiträge erstreckten sich bis zum MAUD-Bericht, dessen endgültigen Entwurf er 1941 verfasste, einem Dokument, das maßgeblich dazu beitrug, dass die Regierung der Vereinigten Staaten umfangreiche Atombombenforschung initiierte. Während des Zweiten Weltkriegs leitete Chadwick das britische Kontingent, das am Manhattan-Projekt beteiligt war. In Anerkennung seiner tiefgreifenden Leistungen in der Kernphysik wurde er 1945 in Großbritannien zum Ritter geschlagen.

Sir James Chadwick (20. Oktober 1891 – 24. Juli 1974) war ein britischer Experimentalphysiker, der 1935 für seine Entdeckung des Neutrons den Nobelpreis für Physik erhielt. 1941 verfasste er den endgültigen Entwurf des MAUD-Berichts, der die US-Regierung dazu inspirierte, ernsthafte Anstrengungen zur Atombombenforschung zu unternehmen. Er war der Leiter des britischen Teams, das während des Zweiten Weltkriegs am Manhattan-Projekt arbeitete. Er wurde 1945 in Großbritannien für seine Leistungen in der Kernphysik zum Ritter geschlagen.

Chadwick schloss sein Grundstudium 1911 an der Victoria University of Manchester ab, wo er von Ernest Rutherford betreut wurde, der weithin als „Vater der Kernphysik“ gilt. Er setzte seine Postgraduiertenarbeit unter Rutherfords Anleitung in Manchester fort und erwarb 1913 seinen Master of Science. Im selben Jahr erhielt Chadwick 1851 ein Forschungsstipendium der Royal Commission für die Ausstellung von 1851 und beschloss, bei Hans Geiger in Berlin Forschungen zur Betastrahlung durchzuführen. Mithilfe des innovativen Geigerzählers von Geiger konnte Chadwick schlüssig beweisen, dass Betastrahlung ein kontinuierliches Spektrum aufweist, und stellte damit die vorherrschende Annahme in Frage, dass sie diskrete Linien erzeugte. Seine Zeit in Deutschland wurde durch den Ausbruch des Ersten Weltkriegs unterbrochen, was zu seiner vierjährigen Internierung im Lager Ruhleben führte.

Nach dem Ersten Weltkrieg ging Chadwick zu Rutherford an das Cavendish Laboratory der Universität Cambridge, wo er im Juni 1921 unter der Aufsicht von Rutherford am Gonville and Caius College seinen Doktortitel in Philosophie erlangte. Mehr als zehn Jahre lang war er Rutherfords stellvertretender Forschungsdirektor am Cavendish Laboratory, damals ein herausragendes globales Zentrum für Physikforschung, das namhafte Studenten wie John Cockcroft, Norman Feather und Mark Oliphant anzog. Nach seiner Entdeckung des Neutrons begann Chadwick mit der Messung seiner Masse und erkannte sein Potenzial als wichtiges Hilfsmittel bei der Krebsbehandlung. Im Jahr 1935 verließ Chadwick das Cavendish Laboratory, um eine Professur für Physik an der University of Liverpool zu übernehmen, wo er ein veraltetes Labor modernisierte und es durch die Installation eines Zyklotrons zu einem wichtigen Zentrum für Kernphysikstudien machte.

Frühes Leben und Bildung

James Chadwick wurde am 20. Oktober 1891 in Cheshire, England, als ältestes Kind von John Joseph Chadwick, einem Baumwollspinner, und Anne Mary Knowles, einer Hausangestellten, geboren. Seinen Namen James erhielt er zu Ehren seines Großvaters väterlicherseits. 1895 zogen seine Eltern nach Manchester und vertrauten seine Fürsorge seinen Großeltern mütterlicherseits an. Chadwick besuchte die Bollington Cross Primary School und erhielt anschließend ein Stipendienangebot für die Manchester Grammar School; Seine Familie lehnte jedoch ab, da sie nicht in der Lage war, die verbleibenden bescheidenen Gebühren zu bezahlen. Infolgedessen schrieb er sich an der Central Grammar School for Boys in Manchester ein, wo er seine Eltern wieder traf. Zu dieser Zeit hatte er zwei jüngere Brüder, Harry und Hubert; Eine ältere Schwester war im Säuglingsalter gestorben. Im Alter von 16 Jahren bewarb sich Chadwick erfolgreich um zwei Universitätsstipendien und sicherte sich beide.

Im Jahr 1908 immatrikulierte sich Chadwick an der Victoria University of Manchester mit der Absicht, Mathematik zu studieren, schrieb sich aber versehentlich für Physik ein. Wie viele Studenten seiner Zeit wohnte er zu Hause und pendelte täglich 4 Meilen (6,4 km) zur und von der Universität. Nach seinem Amtseinführungsjahr erhielt er ein Heginbottom-Stipendium für ein Physikstudium. Die Physikabteilung unter der Leitung von Ernest Rutherford vergab Forschungsprojekte an Studierende im Abschlussjahr. Rutherford beauftragte Chadwick mit der Entwicklung einer Methode zum Vergleich der radioaktiven Energieabgabe zweier unterschiedlicher Quellen. Das vorgeschlagene Konzept beinhaltete die Quantifizierung dieser Quellen auf der Grundlage der Aktivität von 1 Gramm (0,035 Unzen) Radium, einer Einheit, die später als Curie bezeichnet wurde. Obwohl Chadwick sich der Unpraktikabilität von Rutherfords ursprünglichem Vorschlag bewusst war – eine Sorge, die er nur zögerlich äußerte –, beharrte er darauf und formulierte schließlich die erforderliche Methodik. Diese Ergebnisse stellten Chadwicks erste Veröffentlichung dar, die gemeinsam mit Rutherford verfasst wurde und 1912 erschien. Er schloss sein Studium 1911 mit First Class Honours ab.

Nachdem Chadwick eine Methode zur Messung der Gammastrahlung entwickelt hatte, begann er damit, deren Absorption durch verschiedene Gase und Flüssigkeiten zu quantifizieren. Die daraus resultierende Veröffentlichung wurde ausschließlich unter seinem Namen herausgegeben. Im Jahr 1912 erhielt er seinen M.Sc. und zum Beyer Fellow ernannt. Im folgenden Jahr erhielt er ein Ausstellungsstipendium von 1851, das ihm das Studium und die Forschung an einer Universität in Kontinentaleuropa erleichterte. 1913 entschied er sich, an die Physikalisch-Technische Reichsanstalt in Berlin zu gehen, um unter Hans Geiger die Betastrahlung zu untersuchen. Mithilfe von Geigers kürzlich erfundenem Geigerzähler, der im Vergleich zu früheren fotografischen Techniken eine höhere Präzision bot, zeigte Chadwick, dass Betastrahlung keine diskreten Linien aufweist, wie zuvor angenommen, sondern vielmehr ein kontinuierliches Spektrum, das durch Spitzen in bestimmten Regionen gekennzeichnet ist. Während eines „Das kontinuierliche Spektrum blieb viele Jahre lang ein ungelöstes Phänomen.

Chadwick befand sich noch in Deutschland, als der Erste Weltkrieg begann, was zu seiner Internierung im Lager Ruhleben bei Berlin führte. Dort durfte er in den Ställen ein Labor einrichten und wissenschaftliche Experimente mit improvisierten Materialien, einschließlich radioaktiver Zahnpasta, durchführen. In Zusammenarbeit mit Charles Drummond Ellis untersuchte er die Ionisierung von Phosphor und die photochemische Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Chlor. Im Anschluss daran Nach dem Waffenstillstand mit Deutschland im November 1918 wurde er freigelassen und kehrte zum Wohnsitz seiner Eltern in Manchester zurück, wo er für die Ausstellungskommissare von 1851 seine Forschungsergebnisse der vorangegangenen vier Jahre zusammenstellte.

Rutherford bot Chadwick eine Teilzeit-Lehrstelle in Manchester an, die es ihm ermöglichte, seine Forschungsbemühungen fortzusetzen, und stellte experimentell fest, dass sie der Ordnungszahl mit einer Fehlertoleranz von weniger als entspricht 1,5 Prozent. Im April 1919 übernahm Chadwick die Leitung des Cavendish Laboratory an der University of Cambridge und schrieb sich anschließend als Doktorand am Gonville and Caius College in Cambridge ein im Juni 1921 und wurde im November desselben Jahres Fellow des Gonville and Caius College.

Karriere und Forschung

Cambridge

Chadwicks Clerk Maxwell Studentship endete 1923 und sein Nachfolger wurde der russische Physiker Pjotr ​​Kapitza. Sir William McCormick, Vorsitzender des Beirats der Abteilung für wissenschaftliche und industrielle Forschung, arrangierte, dass Chadwick Rutherfords stellvertretender Forschungsdirektor wurde. In dieser Funktion unterstützte Chadwick Rutherford bei der Auswahl des Doktortitels. Studenten, zu der in den folgenden Jahren John Cockcroft, Norman Feather und Mark Oliphant gehörten, die alle enge Freundschaften mit Chadwick entwickelten. Da vielen Studenten klare Forschungsinteressen fehlten, schlugen Rutherford und Chadwick häufig geeignete Themen vor. Chadwick war auch für die Bearbeitung aller vom Labor erstellten wissenschaftlichen Arbeiten verantwortlich.

Im Jahr 1925 lernte Chadwick Aileen Stewart-Brown kennen, die Tochter eines Börsenmaklers aus Liverpool. Sie heirateten im August 1925, wobei Kapitza als Trauzeuge fungierte. Das Paar bekam im Februar 1927 die Zwillingstöchter Joanna und Judith.

Im Rahmen seiner fortlaufenden Forschung erforschte Chadwick weiterhin den Atomkern. Bis 1925 lieferte das Konzept des Spins eine Erklärung für den Zeeman-Effekt, führte jedoch gleichzeitig zu ungelösten Anomalien. Die damals vorherrschende Theorie ging davon aus, dass der Kern aus Protonen und Elektronen bestehe; Beispielsweise wurde angenommen, dass ein Stickstoffkern mit der Massenzahl 14 14 Protonen und 7 Elektronen enthält. Während dieses Modell die Masse und Ladung des Kerns korrekt berücksichtigte, gelang es ihm nicht, seinen beobachteten Spin in Einklang zu bringen.

Während einer Konferenz im Jahr 1928 in Cambridge, die sich mit Betateilchen und Gammastrahlen befasste, kam Chadwick wieder mit Geiger in Kontakt. Geiger präsentierte eine verbesserte Version seines Geigerzählers, verfeinert von seinem Schüler Walther Müller. Da er ein solches Gerät seit dem Krieg nicht mehr verwendet hatte, erkannte Chadwick das Potenzial des Geiger-Müller-Zählers als einen bedeutenden Fortschritt gegenüber den vorherrschenden Szintillationsmethoden in Cambridge, die eine visuelle Beobachtung durch den Menschen erforderten. Die größte Einschränkung bestand jedoch in der Erkennung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Folglich erwies sich Radium, das routinemäßig in Experimenten des Cavendish Laboratory eingesetzt wurde und alle drei Arten emittierte, für Chadwicks spezifische Forschungsziele als ungeeignet. Dennoch bot Polonium als exklusiver Alpha-Strahler eine praktikable Alternative, und Lise Meitner schickte anschließend etwa 2 Millicurie (entspricht etwa 0,5 μg) davon aus Deutschland an Chadwick.

Liverpool

Der Beginn der Weltwirtschaftskrise im Vereinigten Königreich führte zu einem verstärkten fiskalpolitischen Konservatismus der Regierung in Bezug auf die wissenschaftliche Finanzierung. Gleichzeitig stellte Ernest Lawrences innovatives Zyklotron eine revolutionäre Perspektive für die experimentelle Kernphysik dar und weckte bei Chadwick die Befürchtung, dass das Cavendish Laboratory ohne die Anschaffung eines solchen Instruments technologisch veraltet sein würde. Infolgedessen war Chadwick frustriert über Rutherford, der der Überzeugung blieb, dass bedeutende Kernphysikforschung ohne umfangreiche, kostspielige Geräte durchgeführt werden könne, und lehnte daher den Vorschlag für ein Zyklotron ab.

Chadwick war ein bemerkenswerter Kritiker der „Big Science“ im Allgemeinen und im Besonderen von Lawrence, dessen Methodologie er als ungenau und übermäßig technologieabhängig zum Nachteil grundlegender wissenschaftlicher Untersuchungen ansah. Als Lawrence auf der Solvay-Konferenz 1933 die Existenz eines neuartigen, bisher unentdeckten Teilchens als potenzielle Quelle unendlicher Energie postulierte, entgegnete Chadwick, dass die beobachteten Phänomene plausibler durch die Verunreinigung der Ausrüstung erklärt würden. Anschließend bewertete Lawrence seine Ergebnisse in Berkeley erneut und bestätigte Chadwicks Einschätzung, während Rutherford und Oliphant gleichzeitig eine Untersuchung im Cavendish Laboratory durchführten, die ergab, dass die Fusion von Deuterium zu Helium-3 für den ursprünglich von Lawrence beobachteten Effekt verantwortlich war. Dies stellte einen weiteren bedeutenden wissenschaftlichen Durchbruch dar, der jedoch mit dem Oliphant-Rutherford-Teilchenbeschleuniger, einem teuren und fortschrittlichen Instrument, erreicht wurde.

Im März 1935 erhielt Chadwick ein Angebot für den Lyon Jones Chair of Physics an der University of Liverpool in der Heimatstadt seiner Frau als Nachfolger von Lionel Wilberforce. Trotz des veralteten Zustands des Labors, das ausschließlich mit Gleichstrom betrieben wird, nahm Chadwick die Position an und trat seine Amtszeit am 1. Oktober 1935 an. Der akademische Ruf der Universität wurde anschließend durch Chadwicks Nobelpreisankündigung im November 1935 gestärkt. Seine Nobelmedaille wurde später im Jahr 2014 für 329.000 US-Dollar versteigert.

Chadwick initiierte Bemühungen zur Anschaffung eines Zyklotrons für die University of Liverpool. Sein erster Schritt bestand darin, 700 Pfund für die Renovierung der veralteten Labore in Liverpool bereitzustellen, um die Herstellung bestimmter Komponenten im eigenen Haus zu ermöglichen. Es gelang ihm, 2.000 £ von der Universität und ein zusätzliches Stipendium in Höhe von 2.000 £ von der Royal Society zu erhalten. Für den Bau des Zyklotrons rekrutierte Chadwick zwei junge Spezialisten, Bernard Kinsey und Harold Walke, die beide bereits Erfahrung bei Lawrence an der University of California hatten. Den für die Spulen benötigten Kupferleiter steuerte ein örtlicher Kabelhersteller bei. Metropolitan-Vickers mit Sitz im Trafford Park stellte den 50-Tonnen-Magneten des Zyklotrons her und produzierte auch seine Vakuumkammer. Im Juli 1939 war das Zyklotron vollständig installiert und betriebsbereit. Die Gesamtkosten beliefen sich auf insgesamt 5.184 £ und überstiegen die Gesamtbeiträge der Universität und der Royal Society; Folglich deckte Chadwick den Restbetrag persönlich mit Mitteln aus seinem mit 159.917 kr (8.243 £) dotierten Nobelpreis.

An der Universität Liverpool pflegten die Fakultäten für Medizin und Naturwissenschaften eine enge Zusammenarbeit. Chadwick war in beiden Fakultäten automatisch Ausschussmitglied und wurde 1938 in eine Kommission unter dem Vorsitz von Lord Derby berufen, deren Aufgabe es war, die Bestimmungen zur Krebsbehandlung in Liverpool zu prüfen. Chadwick stellte sich vor, dass die vom 37-Zoll-Zyklotron erzeugten Neutronen und radioaktiven Isotope von entscheidender Bedeutung für die biochemische Forschung sein und möglicherweise als therapeutisches Instrument in der Onkologie dienen könnten.

Entdeckung des Neutrons

In Deutschland nutzten Walther Bothe und sein Schüler Herbert Becker Polonium, um Beryllium mit Alphateilchen zu bombardieren und so eine anomale Form von Strahlung zu erzeugen. Anschließend beauftragte James Chadwick seinen australischen Wissenschaftler der Ausstellung von 1851, Hugh Webster, diese Ergebnisse zu reproduzieren. Chadwick interpretierte diese Beobachtungen als Bestätigung einer seit langem bestehenden Hypothese, die er mit Ernest Rutherford teilte: die Existenz des Neutrons, eines theoretischen Kernteilchens ohne elektrische Ladung. Anschließend, im Januar 1932, machte Norman Feather Chadwick auf ein weiteres unerwartetes Ergebnis aufmerksam. Frédéric und Irène Joliot-Curie hatten erfolgreich Protonen aus Paraffinwachs gelöst und dabei Polonium und Beryllium als Quelle für vermutlich Gammastrahlung genutzt. Rutherford und Chadwick bestritten diese Interpretation und argumentierten, dass Protonen für eine solche Wechselwirkung mit Gammastrahlen zu massereich seien. Umgekehrt würden Neutronen nur minimale Energie benötigen, um den gleichen Effekt zu erzielen. Gleichzeitig kam Ettore Majorana in Rom unabhängig zu derselben Schlussfolgerung: Die Joliot-Curies hatten das Neutron versehentlich entdeckt, ohne seine wahre Natur zu erkennen.

Chadwick setzte alle anderen Verpflichtungen aus, um sich auf den Nachweis der Existenz des Neutrons zu konzentrieren, erhielt Unterstützung von Feather und arbeitete oft bis in die späten Stunden. Er konstruierte einen unkomplizierten Versuchsaufbau, bestehend aus einem Zylinder, der eine Poloniumquelle und ein Berylliumtarget beherbergte. Die emittierte Strahlung wurde dann auf ein Material wie Paraffinwachs gerichtet. Die ausgestoßenen Teilchen, die als Protonen identifiziert wurden, gelangten anschließend in eine kleine Ionisationskammer, wo sie mit einem Oszilloskop nachweisbar waren. Im Februar 1932, nach etwa zweiwöchigen Neutronenexperimenten, reichte Chadwick einen Brief an Nature mit dem Titel „Mögliche Existenz eines Neutrons“ ein. Anschließend erläuterte er seine Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel „Die Existenz eines Neutrons“, der im Mai an Proceedings of the Royal Society A versandt wurde. Seine Identifizierung des Neutrons stellte einen entscheidenden Fortschritt im Verständnis der Kernphysik dar. Bei der Durchsicht von Chadwicks Veröffentlichung erkannten Robert Bacher und Edward Condon, dass bestehende theoretische Inkonsistenzen, wie etwa der Kernspin von Stickstoff, gelöst werden könnten, wenn das Neutron einen Spin von 1/2 hätte und wenn ein Stickstoffkern sieben Protonen und sieben Neutronen umfasste.

Die theoretischen Physiker Niels Bohr und Werner Heisenberg untersuchten, ob das Neutron ein grundlegendes Kernteilchen darstellt, ähnlich dem Proton und dem Elektron, und nicht einen Proton-Elektron-Verbund. Heisenberg zeigte, dass das Neutron am genauesten als neuartiges Kernteilchen charakterisiert werden konnte, seine genauen Eigenschaften blieben jedoch unklar. Während seiner Bakerian Lecture im Jahr 1933 berechnete Chadwick die Masse des Neutrons auf ungefähr 1,0067 Da. Angesichts der Tatsache, dass ein Proton und ein Elektron zusammen eine Masse von 1,0078 u besaßen, deutete dies darauf hin, dass ein Neutron, wenn es als Proton-Elektron-Komposit betrachtet würde, eine Bindungsenergie von ungefähr 92 MeV hätte. Während dieser Wert plausibel erschien, stellte die Stabilität eines Partikels mit einer so minimalen Bindungsenergie eine konzeptionelle Herausforderung dar. Die Bestimmung eines so geringen Massenunterschieds erforderte jedoch außergewöhnlich präzise Messungen, was zwischen 1933 und 1934 zu mehreren widersprüchlichen Ergebnissen führte. Beispielsweise berichteten Frédéric und Irène Joliot-Curie über einen erheblichen Neutronenmassenwert durch Alphateilchenbeschuss von Bor, während Ernest Lawrences Gruppe an der University of California einen kleineren Wert erhielt. Anschließend schlug Maurice Goldhaber, ein Flüchtling aus Nazi-Deutschland und Doktorand am Cavendish Laboratory, Chadwick vor, dass Deuteronen einer Photozersetzung unterliegen könnten, wenn sie den 2,6-MeV-Gammastrahlen ausgesetzt werden, die von ²⁰⁸Tl (damals als Thorium C identifiziert) emittiert werden.

Dieser spezielle Prozess bot eine Methode zur genauen Bestimmung der Neutronenmasse. Chadwick und Goldhaber haben diesen Ansatz umgesetzt und seine Wirksamkeit bestätigt. Sie maßen die kinetische Energie des resultierenden Protons bei 1,05 MeV und isolierten so die Masse des Neutrons als einzige unbekannte Variable in ihrer Berechnung. Chadwick und Goldhaber berechneten die Masse des Neutrons auf entweder 1,0084 oder 1,0090 Atomeinheiten, abhängig von den spezifischen Massenwerten, die für Proton und Deuteron verwendet wurden. (Der derzeit akzeptierte Massenwert für das Neutron beträgt 1,00866 Da.) Die bestimmte Masse des Neutrons war zu groß, um mit einer Proton-Elektronen-Paar-Zusammensetzung konsistent zu sein.

Aus diesem Prozess konnte ein genauer Wert für die Masse des Neutrons ermittelt werden. Chadwick und Goldhaber haben es versucht und festgestellt, dass es funktioniert. Sie maßen die kinetische Energie des erzeugten Protons mit 1,05 MeV und beließen die Masse des Neutrons als Unbekannte in der Gleichung. Chadwick und Goldhaber berechneten, dass es entweder 1,0084 oder 1,0090 Atomeinheiten waren, je nachdem, welche Werte für die Massen des Protons und des Deuterons verwendet wurden. (Der heute akzeptierte Wert für die Masse des Neutrons beträgt 1,00866 Da.) Die Masse des Neutrons war zu groß, um ein Proton-Elektron-Paar zu sein.

Chadwick erhielt zahlreiche Auszeichnungen für seine Entdeckung des Neutrons, darunter die Hughes-Medaille im Jahr 1932, den Nobelpreis für Physik im Jahr 1935, die Copley-Medaille im Jahr 1950 und die Franklin-Medaille im Jahr 1951. Diese entscheidende Entdeckung ermöglichte die Laborsynthese transuranischer Elemente durch das Einfangen langsamer Neutronen und anschließenden Beta-Zerfall. Im Gegensatz zu positiv geladenen Alphateilchen, die durch die elektrischen Kräfte in Atomkernen abgestoßen werden, unterliegen Neutronen keiner Coulomb-Barriere. Daher können sie problemlos in die Kerne selbst der schwersten Elemente wie Uran eindringen und sich darin integrieren. Diese Eigenschaft veranlasste Enrico Fermi, Kernreaktionen zu erforschen, die durch langsame Neutronenkollisionen ausgelöst werden, ein Unterfangen, das ihm 1938 den Nobelpreis einbrachte.

Am 4. Dezember 1930 postulierte Wolfgang Pauli die Existenz eines neuartigen Teilchens, um das kontinuierliche Spektrum der Betastrahlung aufzuklären, ein Phänomen, das Chadwick 1914 dokumentiert hatte. Die offensichtliche Diskrepanz in der Energieerhaltung, bei der nicht die gesamte Betastrahlungsenergie berücksichtigt wurde, veranlasste Pauli zu der Annahme, dass ein zusätzliches, damals noch unentdecktes Teilchen beteiligt sein müsse. Pauli bezeichnete dieses Teilchen zunächst als Neutron, es unterschied sich jedoch von Chadwicks Entdeckung. Fermi benannte es anschließend in Neutrino um, abgeleitet vom italienischen Wort für „kleines Neutron“. Im Jahr 1934 entwickelte Fermi seine Theorie des Beta-Zerfalls weiter und postulierte, dass die vom Kern emittierten Elektronen durch den Zerfall eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino entstanden seien. Während das Neutrino die fehlende Energie erklären könnte, war es aufgrund seiner minimalen Masse und fehlenden elektrischen Ladung schwer zu entdecken. Rudolf Peierls und Hans Bethe berechneten, dass Neutrinos die Erde problemlos durchqueren könnten, was auf eine geringe Beobachtungswahrscheinlichkeit schließen lässt. Allerdings bestätigten Frederick Reines und Clyde Cowan das Neutrino am 14. Juni 1956 experimentell, indem sie einen Detektor in einem erheblichen Antineutrinofluss positionierten, der von einem nahegelegenen Kernreaktor ausging.

Der Zweite Weltkrieg

Tube Alloys Project und der MAUD Report

Während des Zweiten Weltkriegs beschäftigte sich Chadwick mit Forschungen für das Tube Alloys-Projekt, das auf die Entwicklung einer Atombombe abzielte, während sein Labor in Manchester und seine Umgebung Luftangriffen der Luftwaffe ausgesetzt waren. Nach dem Abkommen von Quebec, das seine Initiative mit dem amerikanischen Manhattan-Projekt verband, trat Chadwick der britischen Mission bei und übernahm Arbeiten am Los Alamos Laboratory und in Washington, D.C. Insbesondere erlangte er das nahezu vollständige Vertrauen des Projektleiters Leslie R. Groves Jr. In Anerkennung seiner Beiträge wurde Chadwick am 1. Januar 1945 bei den New Year Honours zum Ritter geschlagen. Im Juli 1945 beobachtete er den Trinity-Atomtest. Anschließend fungierte er als britischer wissenschaftlicher Berater der Atomenergiekommission der Vereinten Nationen. Er brachte sein Unbehagen über den aufkeimenden Trend der „Big Science“ zum Ausdruck und kehrte nach Cambridge zurück, wo er 1948 die Rolle des Masters des Gonville and Caius College übernahm.

In Deutschland führten Otto Hahn und Fritz Strassmann Experimente durch, bei denen Uran mit Neutronen bombardiert wurde, und beobachteten dabei die Bildung von Barium, einem leichteren Element, unter den Reaktionsprodukten. Bisher wurden bei solchen Prozessen nur Elemente gleicher oder größerer Atommasse gewonnen. Im Januar 1939 veröffentlichten Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch eine bahnbrechende Arbeit, die dieses unerwartete Ergebnis erläuterte und die Physik-Community in ihren Bann zog. Sie gingen davon aus, dass Uranatome, wenn sie einem Neutronenbeschuss ausgesetzt werden, in zwei ungefähr gleiche Fragmente spalten könnten, ein Prozess, den sie Kernspaltung nannten. Ihre Berechnungen ergaben eine Energiefreisetzung von etwa 200 MeV, was eine Energieabgabe um Größenordnungen bedeutet, die die von chemischen Reaktionen übertrifft, eine Theorie, die Frisch anschließend experimentell bestätigte. Hahn erkannte bald, dass eine nukleare Kettenreaktion ausgelöst werden könnte, wenn bei der Spaltung Neutronen freigesetzt würden. Die französischen Wissenschaftler Pierre Joliot, Hans von Halban und Lew Kowarski bestätigten anschließend, dass tatsächlich mehr als ein Neutron pro Spaltungsereignis emittiert wurde. In einer gemeinsamen Arbeit mit dem amerikanischen Physiker John Wheeler stellte Niels Bohr die Theorie auf, dass eine Spaltung im Uran-235-Isotop wahrscheinlicher sei, das lediglich 0,7 Prozent des natürlich vorkommenden Urans ausmacht.

Chadwick, der die Aussicht auf einen weiteren Krieg mit Deutschland im Jahr 1939 nicht glaubte, hatte seine Familie für einen Urlaub an einen abgelegenen See in Nordschweden mitgenommen. Daher war die Ausrufung des Zweiten Weltkriegs ein tiefer Schock. Entschlossen, einer Internierung zu entgehen, reiste Chadwick mit seiner Familie schnell nach Stockholm, musste jedoch feststellen, dass alle Flüge zwischen Stockholm und London eingestellt wurden. Die Rückreise nach England erfolgte an Bord eines Trampdampfers. Bei seiner Ankunft in Liverpool traf Chadwick auf Joseph Rotblat, einen polnischen Postdoktoranden, der beabsichtigt hatte, am Zyklotron-Projekt mitzuarbeiten, nun aber aufgrund gestrichener Gelder aus Polen keine finanzielle Unterstützung mehr hatte. Chadwick ernannte Rotblat sofort zum Dozenten, ungeachtet seiner begrenzten Englischkenntnisse.

Im Oktober 1939 bat Edward Appleton, Sekretär der Abteilung für wissenschaftliche und industrielle Forschung, um Chadwicks Einschätzung der Machbarkeit einer Atombombe. Chadwicks Antwort war umsichtig; Obwohl er das Konzept nicht ablehnte, erläuterte er die zahlreichen theoretischen und praktischen Herausforderungen akribisch. Anschließend beschloss Chadwick, die Eigenschaften von Uranoxid mit Rotblat weiter zu untersuchen. Im März 1940 griffen Otto Frisch und Rudolf Peierls an der Universität Birmingham diese theoretischen Überlegungen in einem Dokument erneut auf, das später als Frisch-Peierls-Memorandum bezeichnet wurde. Ihre Analyse verlagerte sich von nicht angereichertem Uranoxid zu einer Kugel aus reinem Uran-235 und zeigte, dass eine Kettenreaktion nicht nur möglich war, sondern auch mit nur 1 Kilogramm (2,2 Pfund) Uran-235 initiiert werden konnte, wobei Energie freigesetzt wurde, die Tonnen Dynamit entsprach.

Um diese Frage weiter zu untersuchen, wurde ein spezialisierter Unterausschuss des Ausschusses für die wissenschaftliche Untersuchung der Luftkriegsführung (CSSAW) mit der Bezeichnung MAUD-Ausschuss eingerichtet. Zu den ersten Mitgliedern unter dem Vorsitz von George Paget Thomson gehörten Chadwick, Mark Oliphant, John Cockcroft und Philip Moon. Während andere Gruppen Methoden zur Urananreicherung erforschten, konzentrierte sich Chadwicks Team in Liverpool auf die Bestimmung des nuklearen Wirkungsquerschnitts von Uran-235. Im April 1941 bestätigten experimentelle Daten, dass die kritische Masse für Uran-235 8 Kilogramm (18 Pfund) oder weniger betragen könnte. Diese Forschung wurde erheblich durch anhaltende Luftangriffe der Luftwaffe in der Nähe seines Labors in Liverpool erschwert, bei denen häufig Fenster zerschmetterten und durch Pappe ersetzt werden mussten.

Im Juli 1941 wurde Chadwick mit der Ausarbeitung der endgültigen Fassung des MAUD-Berichts beauftragt. Dieses Dokument, das Vannevar Bush im Oktober 1941 Präsident Franklin D. Roosevelt überreichte, veranlasste die US-Regierung, erhebliche Mittel für die Entwicklung von Atombomben bereitzustellen. Während einer Besprechung zwischen Pegram und Harold Urey zur Bewertung des Fortschritts des Projekts, das damals als Tube Alloys bekannt war, brachte Chadwick seine Überzeugung zum Ausdruck und erklärte: „Ich wünschte, ich könnte Ihnen sagen, dass die Bombe nicht funktionieren wird, aber ich bin zu 90 Prozent sicher, dass sie funktionieren wird.“

Graham Farmelo behauptete in einer zeitgenössischen Veröffentlichung über die Atombombeninitiative: „Chadwick hat mehr als jeder andere Wissenschaftler getan, um Churchill die Bombe zu geben. ... Chadwick wurde fast auf die Probe gestellt bis zum Bruchpunkt.“ Seine tiefe Angst, die seinen Schlaf störte, führte dazu, dass Chadwick den größten Teil seines weiteren Lebens auf Schlaftabletten angewiesen war. Chadwick brachte später seine Erkenntnis zum Ausdruck, dass „eine Atombombe nicht nur möglich, sondern unvermeidlich war. Früher oder später konnten diese Ideen nicht nur uns vorbehalten sein. Jeder würde bald darüber nachdenken, und irgendein Land würde sie in die Tat umsetzen.“ Sir Hermann Bondi postulierte, dass es ein Zufall sei, dass Chadwick und nicht Rutherford in dieser Zeit die herausragende Stellung in der britischen Physik innehatten, da Rutherfords etablierter Ruf andernfalls möglicherweise Chadwicks vorausschauendes Engagement für das Potenzial der Bombe überschattet hätte.

Manhattan-Projekt

Aufgrund der drohenden Luftangriffe evakuierte die Familie Chadwick ihre Zwillinge im Rahmen eines Regierungsplans nach Kanada. Gleichzeitig äußerte Chadwick Vorbehalte gegen die Verlagerung des Tube Alloys-Projekts nach Kanada und bekräftigte, dass das Vereinigte Königreich für eine Anlage zur Isotopentrennung geeignet sei. Im Jahr 1942 wurde das immense Ausmaß des Vorhabens deutlich: Selbst eine vorläufige Trennanlage sollte schätzungsweise mehr als 1 Million Pfund kosten, was die britischen Ressourcen stark belastete, während eine vollständige Anlage auf etwa 25 Millionen Pfund geschätzt wurde. Folglich wurde der Bau in Amerika unabdingbar. Obwohl die Briten die Notwendigkeit einer Zusammenarbeit erkannten, verringerten die raschen Fortschritte des amerikanischen Manhattan-Projekts die wahrgenommene Kritikalität der britischen Zusammenarbeit, trotz des amerikanischen Interesses, Chadwicks Fachwissen zu nutzen.

Die Lösung des Problems der internationalen Zusammenarbeit erforderte diplomatisches Engagement auf hoher Ebene. Im September 1943 formalisierten Premierminister Winston Churchill und Präsident Roosevelt das Abkommen von Quebec, das die Zusammenarbeit zwischen Großbritannien, den Vereinigten Staaten und Kanada wiederherstellte. Anschließend berief Sir Wallace Akers, Direktor von Tube Alloys, Chadwick, Oliphant, Peierls und Simon in die Vereinigten Staaten, um zum Manhattan-Projekt beizutragen. Mit dem Abkommen von Quebec wurde außerdem ein neues Komitee für kombinierte Politik eingerichtet, um die gemeinsame Initiative zu überwachen. Angesichts der amerikanischen Vorbehalte gegenüber Akers wurde Chadwick zum technischen Berater dieses Komitees ernannt und zum Leiter der britischen Mission ernannt.

Nachdem er Rotblat die Verantwortung in Liverpool übertragen hatte, begann Chadwick im November 1943 eine umfassende Besichtigung der Anlagen des Manhattan-Projekts. Insbesondere wurde ihm der Zugang zum Hanford-Standort verweigert, wo Plutonium hergestellt wurde. Dieses einzigartige Privileg machte ihn neben Groves und seinem Stellvertreter zum einzigen Menschen, der Zutritt zu allen amerikanischen Forschungs- und Produktionsanlagen erhielt, die sich mit der Uranbombe befassen. Als Chadwick den Bau der K-25-Gasdiffusionsanlage in Oak Ridge, Tennessee, beobachtete, erkannte er die Unpraktikabilität des Baus einer solchen Anlage im britischen Krieg und erkannte, dass es aufgrund ihrer immensen Größe unmöglich gewesen wäre, sie vor der Luftwaffe zu verbergen. Anfang 1944 zog er in Begleitung seiner Frau und ihrer Zwillinge, die inzwischen kanadische Akzente angenommen hatten, nach Los Alamos, New Mexico. Für Sicherheitsprotokolle nahm er das Pseudonym James Chaffee an.

Chadwick räumte ein, dass die amerikanische Hilfe nicht unbedingt notwendig sei, erkannte jedoch ihr Potenzial, den erfolgreichen Abschluss des Projekts zu beschleunigen. In enger Zusammenarbeit mit Generalmajor Leslie R. Groves Jr., dem Direktor des Manhattan-Projekts, widmete sich Chadwick der Unterstützung der Initiative. Darüber hinaus versuchte er strategisch, britische Wissenschaftler in verschiedene Projektkomponenten zu integrieren, um den Grundstein für ein britisches Atomwaffenprogramm der Nachkriegszeit zu legen, eine Verpflichtung, die er nachdrücklich vertrat. Anfragen von Groves, die über Chadwick weitergeleitet wurden, nach bestimmten Wissenschaftlern stießen häufig auf anfänglichen Widerstand bei ihren jeweiligen Unternehmen, Ministerien oder Universitäten, der jedoch durch die dem Tube Alloys-Projekt zugewiesene höchste Priorität verdrängt wurde. Folglich erwies sich das britische Kontingent als unverzichtbar für den Gesamterfolg des Projekts.

Obwohl das britische Personal über beispiellose Kenntnisse des Projekts verfügte, hatte Chadwick durchweg keinen Zugang zum Standort Hanford. Als Lord Portal 1946 eine Einladung zu einer Besichtigung von Hanford erhielt – der einzigen Einrichtung, die Chadwick während des Krieges nicht betreten durfte – bat Chadwick Groves um Erlaubnis, ihn begleiten zu dürfen. Groves stimmte zu, warnte jedoch davor, dass der Zugang von Portal erheblich eingeschränkt würde, wenn Chadwick anwesend wäre. Für seine Beiträge wurde Chadwick am 1. Januar 1945 bei den New Year Honours zum Ritter geschlagen, eine Auszeichnung, die er als kollektive Anerkennung des gesamten Tube Alloys-Projekts interpretierte.

Anfang 1945 lebte Chadwick hauptsächlich in Washington, D.C., und seine Familie zog im April desselben Jahres von Los Alamos nach Dupont Circle. Er nahm am 4. Juli an der Sitzung des Combined Policy Committee teil, bei der Feldmarschall Sir Henry Maitland Wilson die Zustimmung Großbritanniens zum Einsatz der Atombombe gegen Japan bestätigte. Chadwick war auch beim Trinity-Atomtest am 16. Juli anwesend und wurde Zeuge der Detonation der ersten Atombombe. Das Gerät enthielt einen Polonium-Beryllium-modulierten Neutroneninitiator, ein technologischer Fortschritt, der auf der Methode beruhte, die Chadwick vor über einem Jahrzehnt zur Entdeckung des Neutrons angewendet hatte. William L. Laurence, ein Reporter der The New York Times, der für das Manhattan-Projekt zuständig ist, stellte fest, dass „noch nie zuvor in der Geschichte ein Mensch erlebt hat, wie sich seine eigene Entdeckung mit solch aufschlussreichen Auswirkungen auf das Schicksal des Menschen materialisierte.“

Späteres Leben

Nach Kriegsende wurde Chadwick in den Beratenden Ausschuss für Atomenergie (ACAE) berufen und fungierte als britischer wissenschaftlicher Berater der Atomenergiekommission der Vereinten Nationen. Er stieß auf Meinungsverschiedenheiten mit seinem ACAE-Kollegen Patrick Blackett, der sich Chadwicks Überzeugung widersetzte, dass Großbritannien eigene Atomwaffen benötige; Letztendlich setzte sich jedoch Chadwicks Perspektive durch. Als er 1946 nach Großbritannien zurückkehrte, fand er ein Land vor, das immer noch mit Rationierung während des Krieges und Ressourcenknappheit zu kämpfen hatte.

Zu diesem Zeitpunkt notierte Sir James Mountford, der Vizekanzler der Universität Liverpool, in seinem Tagebuch, dass er noch nie einer Person begegnet sei, die „körperlich, geistig und seelisch so müde“ sei wie Chadwick, denn er „hatte so tiefe moralische Entscheidungen getroffen, wie man glücklichere Männer niemals dazu aufruft, auch nur einen Blick hineinzuwerfen … [und litt] ... fast unerträgliche Qualen der Verantwortung, die sich aus seiner wissenschaftlichen Arbeit ergaben.“

Im September 1949 besuchte Edward Teller England, um über Atomkraft und Sicherheit zu diskutieren, und speiste mit Sir James Chadwick und seiner Frau in ihrer Residenz in Cambridge. Während seine Frau eine engagierte Gesprächspartnerin war, blieb Sir James typisch zurückhaltend. Als Teller jedoch eine negative Bemerkung über General Groves machte, wurde Chadwick deutlich lautstarker und behauptete, dass das Projekt ohne Groves nicht erfolgreich gewesen wäre, obwohl er Groves‘ Abneigung gegenüber den Briten anerkannte.

Im Jahr 1948 nahm Chadwick den Mastertitel des Gonville and Caius College in Cambridge an. Diese Position war prestigeträchtig, aber es mangelte an klarer Autorität, da der Meister als Oberhaupt fungierte, während die tatsächliche Macht bei einem Rat von 13 Mitgliedern, darunter dem Meister, lag. Als Master bemühte sich Chadwick, das akademische Ansehen der Hochschule zu verbessern. Er erweiterte die Zahl der Forschungsstipendien von 31 auf 49 und bemühte sich aktiv um die Gewinnung neuer Talente. Dies beinhaltete umstrittene Entscheidungen, wie etwa die Ernennung des chinesischen Biochemikers Tien-chin Tsao und des in Ungarn geborenen Ökonomen Peter Bauer im Jahr 1951. Bei einer Veranstaltung namens „Bauernaufstand“ wählten die von Patrick Hadley angeführten Stipendiaten einen alten Freund von Chadwick aus dem Rat und ersetzten ihn durch Bauer. Weitere Verbündete von Chadwick wurden in den folgenden Jahren entfernt, was zu seiner Pensionierung im November 1958 führte. Insbesondere war während seiner Masterzeit Francis Crick, ein Ph.D. Student am Gonville and Caius College klärte zusammen mit Rosalind Franklin und James Watson die Struktur der DNA auf.

In den 1970er Jahren verschlechterte sich Chadwicks Gesundheitszustand und er verließ seine Wohnung nur noch selten, obwohl er zu den Feierlichkeiten zu seinem achtzigsten Geburtstag nach Liverpool reiste. Als lebenslanger Atheist behielt er auch in seinen späteren Jahren seine säkulare Weltanschauung bei. Er verstarb friedlich im Schlaf am 24. Juli 1974 in Cambridge im Alter von 82 Jahren.

Anerkennung

Mitgliedschaften

Auszeichnungen

Ritterliche Ehren

Gedenkfeier

• Chadwicks Archivalien werden im Churchill Archives Centre in Cambridge aufbewahrt und sind für die Öffentlichkeit zugänglich.
• Das Chadwick Laboratory befindet sich an der University of Liverpool.
• Der Sir James Chadwick Chair of Experimental Physics, ebenfalls an der University of Liverpool, wurde 1991 im Rahmen der Feierlichkeiten zu seinem 100. Geburtstag gegründet.
• Das James Chadwick Building an der University of Manchester beherbergt Teile der School of Chemical Engineering and Analytical Sciences sowie das Industrial Hub for Sustainable Engineering.
• Lorna Arnold, die offizielle Historikerin der britischen Atomenergiebehörde, charakterisierte Chadwick als „einen Physiker, einen Wissenschaftler-Diplomaten und einen guten, weisen und menschlichen Mann.“
• Der Chadwick-Krater befindet sich auf dem Mond.

Notizen

Referenzen

• "Sir James Chadwick, F.R.S." Nature, 161 (4103): 964, 1948. Bibcode:1948Natur.161Q.964.. doi:10.1038/161964a0."Sir James Chadwick, C.H., LL.D., F.R.S.: 80. Geburtstag." Contemporary Physics, 13 (3): 310, 1972. Bibcode:1972ConPh..13..310.. doi:10.1080/00107517208205684.Rutherford, Ernest; Chadwick, James; Ellis, Charles D. (2010). Strahlung radioaktiver Substanzen (Nachdruck der 2. Auflage). Cambridge University Press. ISBN 978-1-108-00901-0.Abschrift eines Oral History-Interviews mit James Chadwick vom 15. April 1969, archiviert im American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archive (Sitzung I).
  • Abschrift eines mündlichen Interviews mit James Chadwick vom 15. April 1969, American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archiv – Sitzung I
  • Abschrift eines Oral History-Interviews mit James Chadwick vom 16. April 1969, archiviert im American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archive (Sitzung II).
  • Abschrift eines Oral History-Interviews mit James Chadwick vom 17. April 1969, archiviert im American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archive (Sitzung III).
  • Abschrift eines Oral History-Interviews mit James Chadwick vom 20. April 1969, archiviert im American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archive (Sitzung IV).
  • James Chadwick auf Nobelprize.org