James Chadwick

سر جیمز چادویک (20 اکتبر 1891 - 24 ژوئیه 1974)، فیزیکدان تجربی برجسته بریتانیایی، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1935 برای کشف نوترون پیشگامانه دریافت کرد. کمک های قابل توجه او به گزارش MAUD گسترش یافت، جایی که او پیش نویس نهایی آن را در سال 1941 نوشت، سندی که در ترغیب دولت ایالات متحده برای آغاز تحقیقات قابل توجه بمب اتمی مؤثر بود. در طول جنگ جهانی دوم، چادویک گروه بریتانیایی درگیر در پروژه منهتن را رهبری کرد. برای قدردانی از دستاوردهای عمیق خود در فیزیک هسته ای، او در سال 1945 نشان شوالیه را در بریتانیا دریافت کرد.

سر جیمز چادویک (زاده ۲۰ اکتبر ۱۸۹۱ – درگذشته ۲۴ ژوئیه ۱۹۷۴) فیزیکدان تجربی بریتانیایی بود که در سال ۱۹۳۵ جایزه نوبل فیزیک را برای کشف نوترون دریافت کرد. در سال 1941، او پیش نویس نهایی گزارش MAUD را نوشت که الهام بخش دولت ایالات متحده برای شروع تلاش های جدی برای تحقیقات بمب اتمی بود. او سرپرست تیم بریتانیایی بود که در طول جنگ جهانی دوم روی پروژه منهتن کار می کردند. او در سال 1945 به دلیل دستاوردهایش در فیزیک هسته ای در بریتانیا لقب شوالیه گرفت.

چدویک تحصیلات خود را در مقطع کارشناسی در دانشگاه ویکتوریا منچستر در سال 1911 به پایان رساند، جایی که توسط ارنست رادرفورد، که به طور گسترده به عنوان "پدر فیزیک هسته ای" شناخته می شود، راهنمایی شد. او کار تحصیلات تکمیلی خود را تحت راهنمایی رادرفورد در منچستر ادامه داد و مدرک کارشناسی ارشد خود را در سال 1913 دریافت کرد. در همان سال، چادویک در سال 1851 کمک هزینه تحقیقاتی را از کمیسیون سلطنتی برای نمایشگاه 1851 دریافت کرد و انتخاب کرد تا تحقیقات در مورد تشعشعات بتا را با هانس گایگر در برلین دنبال کند. چادویک با استفاده از شمارشگر گایگر ابداعی گایگر، به طور قطعی نشان داد که تابش بتا یک طیف پیوسته از خود نشان می دهد و این باور رایج را که خطوط مجزا تولید می کند، به چالش می کشد. زمان او در آلمان با شروع جنگ جهانی اول قطع شد و منجر به بازداشت او به مدت چهار سال در اردوگاه رولبن شد.

پس از جنگ جهانی اول، چادویک در آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج به رادرفورد پیوست، جایی که در ژوئن 1921 مدرک دکترای فلسفه خود را گرفت و توسط کالج روتر کائول به سرپرستی روتر کالیوس. برای بیش از ده سال، او به عنوان دستیار مدیر تحقیقات رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش، که در آن زمان مرکز برجسته جهانی برای تحقیقات فیزیک بود، خدمت کرد و دانشجویان برجسته ای مانند جان کاکرافت، نورمن فیر و مارک اولیفانت را جذب کرد. پس از کشف نوترون، چادویک اقدام به اندازه گیری جرم آن کرد و پتانسیل آن را به عنوان یک ابزار مهم در درمان سرطان پیش بینی کرد. در سال 1935، چادویک آزمایشگاه کاوندیش را ترک کرد و به عنوان استادی در فیزیک در دانشگاه لیورپول مشغول شد، جایی که او یک آزمایشگاه قدیمی را مدرن کرد و با نصب یک سیکلوترون، آن را به عنوان مرکز مهمی برای مطالعات فیزیک هسته‌ای تأسیس کرد.

زندگی اولیه و آموزش

جیمز چادویک در چشایر انگلستان در 20 اکتبر 1891 به دنیا آمد. او نام خود را، جیمز، به افتخار پدربزرگ پدری خود دریافت کرد. در سال 1895، والدین او به منچستر نقل مکان کردند و مراقبت از او را به پدربزرگ و مادربزرگ مادری اش سپردند. چادویک در مدرسه ابتدایی بولینگتون کراس تحصیل کرد و متعاقباً یک پیشنهاد بورس تحصیلی به مدرسه گرامر منچستر دریافت کرد. با این حال، خانواده او به دلیل ناتوانی در پرداخت هزینه های اندک باقی مانده، رد کردند. در نتیجه، او در مدرسه گرامر مرکزی پسران در منچستر ثبت نام کرد و در آنجا با والدینش متحد شد. در این زمان او دو برادر کوچکتر به نام های هری و هوبرت داشت. یک خواهر بزرگتر در کودکی از دنیا رفته بود. چادویک در سن 16 سالگی با موفقیت برای دو بورسیه دانشگاهی رقابت کرد و هر دو را تضمین کرد.

در سال 1908، چادویک در دانشگاه ویکتوریا منچستر فارغ التحصیل شد و قصد داشت ریاضیات را دنبال کند اما ناخواسته در رشته فیزیک ثبت نام کرد. مطابق با بسیاری از دانشجویان دوران خود، او در خانه زندگی می کرد و روزانه 4 مایل (6.4 کیلومتر) به دانشگاه رفت و آمد داشت. پس از سال تحلیف، به او بورسیه تحصیلی هگین باتوم برای مطالعات فیزیک اعطا شد. دپارتمان فیزیک به رهبری ارنست رادرفورد، پروژه های تحقیقاتی را به دانش آموزان سال آخر محول کرد. رادرفورد به چادویک دستور داد تا روشی را برای مقایسه خروجی انرژی رادیواکتیو دو منبع مجزا ایجاد کند. مفهوم پیشنهادی شامل کمی کردن این منابع بر اساس فعالیت 1 گرم (0.035 اونس) رادیوم بود، واحدی که بعداً به عنوان کوری تعیین شد. علیرغم آگاهی چادویک از غیرعملی بودن پیشنهاد اولیه رادرفورد - نگرانی ای که او در بیان آن تردید داشت - او پافشاری کرد و در نهایت روش مورد نیاز را تدوین کرد. این یافته‌ها انتشارات افتتاحیه چادویک را تشکیل می‌دهند که با همکاری رادرفورد در سال 1912 منتشر شد. او مدرک خود را با افتخارات درجه یک در سال 1911 به پایان رساند.

پس از توسعه روشی برای اندازه گیری تابش گاما، چادویک اقدام به تعیین کمیت جذب آن توسط گازها و مایعات مختلف کرد. نشریه حاصل تنها به نام او منتشر شد. در سال 1912 به او اعطا شد. و یک همکار Beyer منصوب کرد. سال بعد، وی بورسیه نمایشگاهی در سال 1851 دریافت کرد که ادامه تحصیل و تحقیق او را در دانشگاهی در قاره اروپا تسهیل کرد. در سال 1913، او تصمیم گرفت به Physikalisch-Technische Reichsanstalt در برلین بپیوندد تا تابش بتا را تحت رهبری هانس گایگر بررسی کند. چادویک با استفاده از شمارشگر گایگر که اخیراً اختراع کرده است، که در مقایسه با تکنیک‌های عکاسی قبلی دقت بالاتری ارائه می‌دهد، نشان داد که تابش بتا خطوط مجزایی را، همانطور که قبلاً تئوری‌ها بود، نشان نمی‌دهد، بلکه طیف پیوسته‌ای را نشان می‌دهد که با قله‌ها در مناطق خاص مشخص می‌شود. در طول یک "طیف پیوسته برای سال‌ها پدیده‌ای حل‌نشده باقی ماند.

چدویک هنوز در آلمان بود که جنگ جهانی اول آغاز شد، که منجر به بازداشت او در اردوگاه رولبن در نزدیکی برلین شد. در آنجا، به او اجازه داده شد آزمایشگاهی در اصطبل‌ها تاسیس کند و آزمایش‌های علمی با استفاده از مواد بداهه، از جمله خمیردندان‌های رادیواکتیو کار چاریونی، از جمله خمیردندان‌های رادیواکتیو Charionis Dramond انجام دهد. فسفر و واکنش فتوشیمیایی بین مونوکسید کربن و کلر پس از آتش بس با آلمان در نوامبر 1918، آزاد شد و به محل سکونت پدر و مادرش در منچستر بازگشت، جایی که او یافته های تحقیقاتی خود را از چهار سال قبل برای ماموران نمایشگاه 1851 گردآوری کرد. در آوریل 1919، رادرفورد ریاست آزمایشگاه کاوندیش را در دانشگاه کمبریج به عهده گرفت و به طور تجربی تعیین کرد که این عدد با عدد اتمی مطابقت دارد در سال 1920 و متعاقباً به عنوان یک کاندیدای دکترا در کالج گونویل و کایوس ثبت نام کرد. بخش اولیه پایان نامه او بر روی اعداد اتمی متمرکز بود.

تحقیق و شغل

کمبریج

دوره دانشجویی کارمند ماکسول چادویک در سال 1923 به پایان رسید و پیوتر کاپیتزا فیزیکدان روسی جانشین او شد. سر ویلیام مک کورمیک، رئیس شورای مشورتی دپارتمان تحقیقات علمی و صنعتی، ترتیبی داد که چادویک دستیار مدیر تحقیقات رادرفورد شود. چادویک در این سمت به رادرفورد در انتخاب دکترا کمک کرد. دانش‌آموزان، گروهی که در سال‌های بعد شامل جان کاکرافت، نورمن فیتر و مارک اولیفانت بودند که همگی با چادویک دوستی نزدیک داشتند. با توجه به اینکه بسیاری از دانشجویان فاقد علایق پژوهشی تعریف شده بودند، رادرفورد و چادویک مکرراً موضوعات مناسبی را پیشنهاد کردند. Chadwick همچنین مسئول ویرایش کلیه مقالات علمی تولید شده توسط آزمایشگاه بود.

در سال 1925، چادویک با آیلین استوارت-براون، دختر یک دلال سهام لیورپولی آشنا شد. آنها در آگوست 1925 با کاپیتزا به عنوان بهترین مرد ازدواج کردند. این زوج در فوریه 1927 به دختران دوقلوی جوآنا و جودیت خوش آمد گفتند.

در تحقیقات مداوم خود، چادویک به تحقیق در مورد هسته اتم ادامه داد. در سال 1925، مفهوم اسپین توضیحی برای اثر زیمن ارائه کرد، اما به طور همزمان ناهنجاری های حل نشده را معرفی کرد. در آن زمان، تئوری رایج چنین فرض می‌کرد که هسته شامل پروتون و الکترون است. به عنوان مثال، یک هسته نیتروژن با عدد جرمی 14 فرض می شد که حاوی 14 پروتون و 7 الکترون است. در حالی که این مدل به درستی جرم و بار هسته را محاسبه می‌کرد، نتوانست اسپین مشاهده‌شده خود را با هم تطبیق دهد.

در خلال کنفرانسی در سال 1928 در کمبریج با تمرکز بر ذرات بتا و پرتوهای گاما، چادویک دوباره با گایگر ارتباط برقرار کرد. گایگر نسخه پیشرفته‌تری از شمارنده گایگر خود را ارائه کرد که توسط شاگردش، والتر مولر، اصلاح شده بود. چادویک که از زمان جنگ از چنین وسیله ای استفاده نکرده بود، پتانسیل شمارنده گایگر-مولر را به عنوان یک پیشرفت قابل توجه نسبت به روش های رایج سوسوزن در کمبریج تشخیص داد، که مشاهده بصری انسان را ضروری می کرد. با این حال، محدودیت اصلی آن، تشخیص اشعه آلفا، بتا و گاما بود. در نتیجه، رادیوم، که به طور معمول در آزمایش‌های آزمایشگاهی کاوندیش به کار می‌رفت و هر سه نوع را منتشر می‌کرد، برای اهداف تحقیقاتی خاص چادویک نامناسب بود. با این وجود، پلونیوم که یک انتشار دهنده آلفا انحصاری بود، یک جایگزین مناسب ارائه داد و لیز مایتنر متعاقباً تقریباً 2 میلی‌کوری (معادل حدود 0.5 میکروگرم) از آن را به چادویک از آلمان فرستاد.

لیورپول

ظهور رکود بزرگ در بریتانیا منجر به افزایش محافظه کاری مالی دولت در مورد تأمین مالی علمی شد. همزمان، سیکلوترون ابداعی ارنست لارنس چشم‌اندازی انقلابی برای فیزیک هسته‌ای آزمایشی ارائه کرد و نگرانی چادویک را برانگیخت که آزمایشگاه کاوندیش بدون دستیابی به چنین ابزاری از نظر فناوری منسوخ می‌شود. در نتیجه، چادویک از رادرفورد ناامید شد، که معتقد بود تحقیقات فیزیک هسته‌ای قابل توجهی می‌تواند بدون تجهیزات قابل توجه و پرهزینه ادامه یابد، و بنابراین پیشنهاد سیکلوترون را رد کرد.

چدویک منتقد برجسته "علم بزرگ" به طور کلی، و به طور خاص لارنس بود، که روش شناسی آن را نادقیق و بیش از حد متکی به فناوری به ضرر تحقیقات علمی بنیادی می دانست. در کنفرانس سالوی در سال 1933، زمانی که لارنس وجود یک ذره بدیع و ناشناخته را به عنوان منبع بالقوه انرژی بی نهایت مطرح کرد، چادویک پاسخ داد که پدیده های مشاهده شده به طور قابل قبولی توسط آلودگی تجهیزات توضیح داده می شوند. لارنس متعاقباً یافته‌های خود را در برکلی مجدداً ارزیابی کرد و ارزیابی چادویک را تأیید کرد، در حالی که رادرفورد و اولیفانت همزمان تحقیقاتی را در آزمایشگاه کاوندیش انجام دادند که نشان داد همجوشی دوتریوم با هلیوم-3 مسئول تأثیری است که لارنس در ابتدا مشاهده کرده بود. این نشان‌دهنده یک پیشرفت علمی مهم دیگر بود، البته یکی از آنها با استفاده از شتاب‌دهنده ذرات اولیفانت-رادرفورد، ابزاری گران‌قیمت و پیشرفته، به دست آمد.

در مارس 1935، چادویک پیشنهادی برای کرسی فیزیک لیون جونز در دانشگاه لیورپول، واقع در شهر زادگاه همسرش Liberorce.force. علیرغم وضعیت قدیمی آزمایشگاه که صرفاً با جریان برق مستقیم کار می کرد، چادویک این سمت را پذیرفت و در 1 اکتبر 1935 فعالیت خود را آغاز کرد. متعاقباً با اعلام جایزه نوبل چادویک در نوامبر 1935، جایگاه علمی دانشگاه افزایش یافت. مدال نوبل او بعداً به حراج گذاشته شد.

چدویک تلاش‌هایی را برای تهیه سیکلوترون برای دانشگاه لیورپول آغاز کرد. گام اولیه او شامل اختصاص 700 پوند برای نوسازی آزمایشگاه های قدیمی لیورپول بود که امکان ساخت قطعات خاصی را در خانه فراهم می کرد. او با موفقیت 2000 پوند از دانشگاه و 2000 پوند کمک مالی اضافی از انجمن سلطنتی دریافت کرد. برای ساخت سیکلوترون، چادویک دو متخصص جوان به نام‌های برنارد کینزی و هارولد واک را استخدام کرد که هر دو تجربه قبلی با لارنس در دانشگاه کالیفرنیا داشتند. یک تولید کننده کابل محلی، هادی مسی مورد نیاز برای سیم پیچ ها را ارائه کرد. Metropolitan-Vickers، واقع در پارک ترافورد، آهنربای 50 تنی سیکلوترون را ساخت و همچنین محفظه خلاء آن را تولید کرد. تا جولای 1939، سیکلوترون به طور کامل نصب و راه اندازی شد. مجموع هزینه ها که در مجموع 5184 پوند بود، از مجموع کمک های دانشگاه و انجمن سلطنتی فراتر رفت. در نتیجه، چادویک شخصاً باقیمانده موجودی را با استفاده از وجوه دریافتی جایزه نوبل 159917 کرون (8243 پوندی) خود پوشش داد.

در دانشگاه لیورپول، دانشکده‌های پزشکی و علوم ارتباط نزدیکی با یکدیگر داشتند. چادویک عضویت خودکار کمیته را در هر دو دانشکده داشت و در سال 1938 به عنوان کمیسیونی به ریاست لرد دربی منصوب شد و وظیفه بررسی مفاد درمان سرطان در لیورپول را بر عهده داشت. چادویک پیش‌بینی کرد که نوترون‌ها و ایزوتوپ‌های رادیواکتیو تولید شده توسط سیکلوترون 37 اینچی می‌توانند در تحقیقات بیوشیمیایی مفید باشند و به طور بالقوه به عنوان یک ابزار درمانی در سرطان‌شناسی عمل کنند.

کشف نوترون

در آلمان، والتر بوته و شاگردش، هربرت بکر، از پلونیوم برای بمباران بریلیوم با ذرات آلفا استفاده کردند و شکلی غیرعادی از تشعشع را تولید کردند. جیمز چادویک متعاقباً، محقق استرالیایی نمایشگاه 1851 خود، هیو وبستر، را موظف کرد که این یافته ها را تکرار کند. چادویک این مشاهدات را به‌عنوان تأیید فرضیه‌ای دیرپایی که با ارنست رادرفورد به اشتراک گذاشته بود تفسیر کرد: وجود نوترون، یک ذره هسته‌ای نظری بدون بار الکتریکی. متعاقباً، در ژانویه 1932، نورمن فیتر چادویک را از یک نتیجه غیرمنتظره دیگر آگاه کرد. فردریک و ایرنه ژولیوت کوری با موفقیت پروتون‌ها را از موم پارافین جدا کردند و از پولونیوم و بریلیم به عنوان منبعی برای آنچه که تصور می‌کردند تابش گاما است استفاده کردند. رادرفورد و چادویک این تفسیر را به چالش کشیدند و استدلال کردند که پروتون ها برای چنین برهمکنشی با پرتوهای گاما بسیار سنگین هستند. برعکس، نوترون ها برای دستیابی به اثر یکسان تنها به حداقل انرژی نیاز دارند. همزمان، در رم، اتوره مایورانا به طور مستقل به همین نتیجه رسید: Joliot-Curies به طور ناخواسته نوترون را بدون شناخت ماهیت واقعی آن کشف کرده بود.

چدویک تمام تعهدات دیگر را به حالت تعلیق درآورد تا بر اثبات وجود نوترون تمرکز کند، از Feather کمک دریافت کند و اغلب تا ساعات پایانی کار کند. او یک مجموعه آزمایشی ساده را طراحی کرد که شامل یک استوانه حاوی منبع پولونیوم و یک هدف بریلیوم بود. سپس تشعشعات ساطع شده به سمت ماده ای مانند موم پارافین هدایت شد. ذرات پرتاب شده، که به عنوان پروتون شناخته می شوند، متعاقبا وارد یک محفظه یونیزاسیون کوچک شدند که در آنجا از طریق یک اسیلوسکوپ قابل تشخیص بودند. در فوریه 1932، پس از تقریباً دو هفته آزمایش نوترون، چادویک نامه ای به طبیعت با عنوان "وجود احتمالی یک نوترون" ارسال کرد. او متعاقباً یافته‌های خود را در مقاله‌ای با عنوان «وجود یک نوترون» به مجموعه مقالات انجمن سلطنتی A در ماه مه به تفصیل شرح داد. شناسایی نوترون او نشان دهنده یک پیشرفت اساسی در درک فیزیک هسته ای بود. با بررسی انتشار چادویک، رابرت باچر و ادوارد کاندون دریافتند که تناقضات نظری موجود، مانند اسپین هسته ای نیتروژن، در صورتی که نوترون دارای اسپین 1/2 باشد و اگر یک هسته نیتروژن از هفت پروتون و هفت نوترون تشکیل شده باشد، قابل حل است.

فیزیکدانان نظری نیلز بور و ورنر هایزنبرگ بررسی کردند که آیا نوترون یک ذره هسته ای بنیادی، شبیه به پروتون و الکترون، به جای یک ترکیب پروتون-الکترون را تشکیل می دهد یا خیر. هایزنبرگ نشان داد که نوترون با دقت بیشتری به عنوان یک ذره هسته ای جدید مشخص می شود، اگرچه ویژگی های دقیق آن تعریف نشده باقی مانده است. چادویک در طول سخنرانی باکریان خود در سال 1933 جرم نوترون را تقریباً 1.0067 Da محاسبه کرد. با توجه به اینکه یک پروتون و یک الکترون در مجموع دارای جرمی معادل 1.0078 u هستند، این نشان می‌دهد که یک نوترون، اگر یک ترکیب پروتون-الکترون در نظر گرفته شود، دارای انرژی اتصال تقریباً 92 MeV خواهد بود. در حالی که این مقدار قابل قبول به نظر می رسید، پایداری ذره ای با چنین حداقل انرژی اتصال یک چالش مفهومی را به وجود آورد. با این حال، تعیین چنین اختلاف جرم کوچکی نیاز به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی داشت که منجر به چندین یافته متناقض بین سال‌های 1933 و 1934 شد. برای مثال، فردریک و ایرنه ژولیوت کوری یک مقدار جرم نوترون قابل‌توجه را از طریق بمباران ذرات آلفای بور گزارش کردند، در حالی که ارزش کوچکی از دانشگاه کالیفرنیا از ارنست را به دست آوردند. متعاقبا، موریس گلدهابر، پناهنده ای از آلمان نازی و دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه کاوندیش، به چادویک پیشنهاد کرد که دوترون ها در معرض پرتوهای گامای 2.6 مگا الکترون ولت ساطع شده توسط ²⁰⁸Tl (که در آن زمان به عنوان توریوم شناخته شد) می توانند دچار تجزیه نور شوند.

این فرآیند خاص روشی را برای تعیین دقیق جرم نوترون ارائه می‌دهد. Chadwick و Goldhaber این رویکرد را اجرا کردند و کارایی آن را تایید کردند. آنها انرژی جنبشی پروتون حاصل را در 1.05 مگا الکترون ولت اندازه گیری کردند و بدین ترتیب جرم نوترون را به عنوان تنها متغیر ناشناخته در محاسبات خود جدا کردند. چادویک و گلدابر جرم نوترون را 1.0084 یا 1.0090 واحد اتمی محاسبه کردند که مشروط به مقادیر جرم خاص به کار رفته برای پروتون و دوترون است. (مقدار جرمی پذیرفته‌شده در حال حاضر برای نوترون 1.00866 دالتون است.) جرم تعیین‌شده نوترون برای سازگاری با ترکیب جفت پروتون-الکترون بسیار زیاد بود.

یک مقدار دقیق برای جرم نوترون را می توان از این فرآیند تعیین کرد. چادویک و گلدابر این را امتحان کردند و متوجه شدند که کار می کند. آنها انرژی جنبشی پروتون تولید شده را 1.05 مگا ولت اندازه‌گیری کردند و جرم نوترون را در معادله ناشناخته باقی گذاشتند. Chadwick و Goldhaber محاسبه کردند که بسته به مقادیر مورد استفاده برای جرم پروتون و دوترون، 1.0084 یا 1.0090 واحد اتمی است. (مقدار پذیرفته شده مدرن برای جرم نوترون 1.00866 Da است.) جرم نوترون برای جفت پروتون-الکترون بسیار بزرگ بود.

در 4 دسامبر 1930، ولفگانگ پائولی وجود یک ذره جدید را برای روشن کردن طیف پیوسته تابش بتا فرض کرد، پدیده‌ای که چادویک در سال 1914 ثبت کرده بود. پائولی در ابتدا از این ذره به عنوان نوترون یاد کرد، اما از کشف چادویک متمایز بود. فرمی متعاقباً آن را به نوترینو تغییر نام داد که از ایتالیایی به معنای "نوترون کوچک" گرفته شده است. در سال 1934، فرمی نظریه خود را در مورد واپاشی بتا مطرح کرد و اظهار داشت که الکترون های ساطع شده از هسته از فروپاشی یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو سرچشمه می گیرند. در حالی که نوترینو می‌توانست انرژی از دست رفته را توضیح دهد، جرم کم و کمبود بار الکتریکی آن را به چالش می‌کشد. رودولف پیرلز و هانس بته محاسبه کردند که نوترینوها می توانند به راحتی زمین را طی کنند، که احتمال رصد پایین را نشان می دهد. با این حال، فردریک رینز و کلاید کوان در 14 ژوئن 1956 با قرار دادن یک آشکارساز در یک شار ضد نوترینوی قابل توجهی که از یک رآکتور هسته‌ای نزدیک سرچشمه می‌گیرد، به طور تجربی نوترینو را تأیید کردند.

جنگ جهانی دوم

پروژه آلیاژهای لوله و گزارش MAUD

در طول جنگ جهانی دوم، چادویک همزمان با آزمایشگاه منچستر و اطراف آن که بمباران هوایی لوفت‌وافه را تحمل می‌کردند، برای پروژه آلیاژ لوله‌ای که هدف آن توسعه بمب اتمی بود، مشغول تحقیق شد. پس از توافق کبک، که ابتکار او را با پروژه منهتن آمریکا ادغام کرد، چادویک به مأموریت بریتانیا پیوست و کار در آزمایشگاه لوس آلاموس و در واشنگتن دی سی انجام داد. 1945. در ژوئیه 1945، او آزمایش هسته ای ترینیتی را مشاهده کرد. پس از آن، او به عنوان مشاور علمی بریتانیا در کمیسیون انرژی اتمی سازمان ملل متحد خدمت کرد. او با ابراز ناراحتی از روند رو به رشد "علم بزرگ"، به کمبریج بازگشت و در سال 1948 نقش استاد کالج گونویل و کایوس را بر عهده گرفت.

در آلمان، اتو هان و فریتز استراسمن آزمایشاتی را برای بمباران اورانیوم با نوترون انجام دادند، و تولید عنصر سبکتر باریم، را مشاهده کردند. پیش از این، چنین فرآیندهایی فقط عناصری با جرم اتمی برابر یا بیشتر به دست می آوردند. در ژانویه 1939، لیز مایتنر و برادرزاده‌اش اتو فریش مقاله مهمی را منتشر کردند که این نتیجه غیرمنتظره را روشن کرد و جامعه فیزیک را مجذوب خود کرد. آنها فرض کردند که اتم‌های اورانیوم، زمانی که در معرض بمباران نوترونی قرار می‌گیرند، می‌توانند به دو قطعه تقریباً مساوی تقسیم شوند، فرآیندی که آنها آن را شکافت هسته‌ای نامیدند. محاسبات آنها آزادسازی انرژی تقریباً 200 مگا الکترون ولت را نشان می‌دهد، که نشان‌دهنده مرتبه‌های خروجی انرژی است که از واکنش‌های شیمیایی فراتر می‌رود، نظریه‌ای که فریش متعاقباً به صورت تجربی تأیید کرد. هان به زودی دریافت که اگر نوترون ها در طول شکافت آزاد شوند، یک واکنش زنجیره ای هسته ای می تواند آغاز شود. دانشمندان فرانسوی پیر ژولیوت، هانس فون هالبان و لو کووارسکی متعاقباً تأیید کردند که در واقع بیش از یک نوترون در هر رویداد شکافت گسیل می شود. نیلز بور در مقاله ای مشترک با فیزیکدان آمریکایی جان ویلر، این نظریه را مطرح کرد که شکافت در ایزوتوپ اورانیوم 235 که تنها 0.7 درصد از اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد، محتمل تر است.

چادویک که چشم‌انداز جنگ دیگری با آلمان در سال 1939 را باور نداشت، خانواده‌اش را برای تعطیلات به دریاچه‌ای منزوی در شمال سوئد برده بود. در نتیجه، اعلام جنگ جهانی دوم یک شوک عمیق بود. چادویک که تصمیم گرفت از زندانی شدن خودداری کند، به سرعت با خانواده خود به استکهلم سفر کرد، اما متوجه شد که تمام پروازهای بین استکهلم و لندن به حالت تعلیق درآمده است. سفر بازگشت آنها به انگلستان با یک کشتی بخار ولگرد انجام شد. چادویک پس از ورود به لیورپول، با جوزف روتبلات، دانشجوی فوق دکترای لهستانی روبرو شد که قصد همکاری در پروژه سیکلوترون را داشت، اما اکنون به دلیل قطع بودجه از لهستان، از حمایت مالی برخوردار نبود. Chadwick بلافاصله Rotblat را به عنوان یک سخنران منصوب کرد، علی رغم تسلط محدود او به زبان انگلیسی.

در اکتبر 1939، ادوارد اپلتون، دبیر دپارتمان تحقیقات علمی و صنعتی، ارزیابی چادویک را در مورد قابلیت حیات یک بمب اتمی درخواست کرد. پاسخ چادویک محتاطانه بود. در حالی که این مفهوم را نادیده نمی گیرد، او چالش های نظری و عملی متعدد را به دقت شرح می دهد. پس از آن، چادویک تصمیم گرفت تا ویژگی‌های اکسید اورانیوم را با Rotblat بررسی کند. در مارس 1940، اتو فریش و رودولف پیرلز در دانشگاه بیرمنگام این ملاحظات نظری را در سندی که بعداً یادداشت فریش-پیرلز نامیده شد، دوباره بررسی کردند. تجزیه و تحلیل آنها از اکسید اورانیوم غنی نشده به کره ای از اورانیوم خالص-235 تغییر یافت و نشان داد که یک واکنش زنجیره ای نه تنها ممکن است، بلکه می تواند با حداقل 1 کیلوگرم (2.2 پوند) اورانیوم-235 آغاز شود و انرژی معادل تن دینامیت آزاد کند.

برای بررسی بیشتر این موضوع، یک کمیته فرعی تخصصی از کمیته بررسی علمی جنگ هوایی (CSSAW)، به نام کمیته MAUD، ایجاد شد. به ریاست جورج پاجت تامسون، اعضای اولیه آن شامل چادویک، مارک اولیفانت، جان کاکرافت و فیلیپ مون بودند. در حالی که گروه‌های دیگر روش‌های غنی‌سازی اورانیوم را بررسی می‌کردند، تیم چادویک در لیورپول بر روی تعیین سطح مقطع هسته‌ای اورانیوم 235 متمرکز شد. در آوریل 1941، داده های تجربی تأیید کردند که جرم بحرانی اورانیوم 235 می تواند 8 کیلوگرم (18 پوند) یا کمتر باشد. این تحقیقات به طور قابل توجهی توسط بمباران هوایی مداوم لوفت وافه در نزدیکی آزمایشگاه او در لیورپول، که اغلب پنجره‌ها را می‌شکند و نیاز به جایگزینی آنها با مقوا داشت، با مشکل مواجه شد.

در ژوئیه 1941، چادویک موظف شد نسخه قطعی گزارش MAUD را تهیه کند. این سند که در اکتبر 1941 توسط وانوار بوش به رئیس جمهور فرانکلین دی. چادویک در طی یک پگرام و هارولد یوری برای ارزیابی پیشرفت پروژه، که در آن زمان به عنوان آلیاژهای لوله شناخته می‌شد، عقیده خود را بیان کرد و گفت: "ای کاش می‌توانستم به شما بگویم که بمب کار نمی‌کند، اما من 90 درصد مطمئن هستم که کار خواهد کرد." دانشمندی برای دادن بمب به چرچیل ... چادویک تقریباً تا حد شکست آزمایش شد. اضطراب عمیق او که خواب او را مختل می کرد، باعث شد چادویک در بیشتر زندگی بعدی خود به قرص های خواب آور تکیه کند. چادویک بعداً این درک خود را بیان کرد که "بمب هسته‌ای نه تنها امکان‌پذیر است، بلکه اجتناب‌ناپذیر است. دیر یا زود این ایده‌ها نمی‌توانست برای ما عجیب باشد. همه زودتر در مورد آنها فکر می‌کنند و کشوری آنها را عملی می‌کند." سر هرمان باندی اظهار داشت که تصادفاً چادویک، به جای رادرفورد، جایگاه برجسته‌ای را در فیزیک بریتانیا در آن دوران داشت، زیرا شهرت تثبیت شده رادرفورد ممکن بود در غیر این صورت تعامل آینده‌نگر چادویک با پتانسیل بمب را تحت الشعاع قرار دهد.

پروژه منهتن

به دلیل تهدید بمباران هوایی، خانواده چادویک دوقلوهای خود را تحت یک طرح دولتی به کانادا تخلیه کردند. همزمان، چادویک در مورد جابجایی پروژه آلیاژهای لوله به کانادا ابراز نگرانی کرد و بر مناسب بودن بریتانیا برای تاسیسات جداسازی ایزوتوپ تاکید کرد. در سال 1942، مقیاس عظیم این تعهد آشکار شد: حتی پیش‌بینی می‌شد که یک کارخانه جداسازی اولیه بیش از 1 میلیون پوند باشد که به شدت از منابع بریتانیا مالیات می‌گیرد، در حالی که یک تسهیلات در مقیاس کامل تقریباً 25 میلیون پوند تخمین زده می‌شد. در نتیجه، ساخت و ساز در آمریکا ضروری شد. اگرچه انگلیسی ها ضرورت تلاش مشترک را تشخیص دادند، پیشرفت های سریع پروژه منهتن آمریکا انتقادات درک شده از همکاری بریتانیا را کاهش داد، علی رغم علاقه آمریکا به استفاده از تخصص چادویک.

حل و فصل موضوع همکاری بین المللی مستلزم تعامل دیپلماتیک در سطح بالا بود. در سپتامبر 1943، نخست وزیر وینستون چرچیل و رئیس جمهور روزولت توافق نامه کبک را رسمی کردند که تلاش های مشترک بین بریتانیا، ایالات متحده و کانادا را دوباره برقرار کرد. پس از آن، سر والاس آکرز، مدیر لوله آلیاژها، چادویک، اولیفانت، پیرلز و سایمون را برای مشارکت در پروژه منهتن به ایالات متحده احضار کرد. توافقنامه کبک همچنین کمیته سیاست ترکیبی جدیدی را برای نظارت بر ابتکار مشترک ایجاد کرد. با توجه به محفوظات آمریکایی در مورد آکرز، چادویک به عنوان مشاور فنی این کمیته تعیین شد و به عنوان رئیس مأموریت بریتانیا منصوب شد.

پس از سپردن مسئولیت‌های Rotblat در لیورپول، چادویک در نوامبر 1943 یک تور جامع از تأسیسات پروژه منهتن را آغاز کرد. به ویژه، به‌طور قابل‌توجهی، او به Hanfordnium دسترسی داشت. ساخته شده است. این امتیاز منحصر به فرد، او را به عنوان تنها فردی، جدا از گرووز و معاونش، برای ورود به تمامی تأسیسات تحقیقاتی و تولیدی آمریکا که به بمب اورانیوم اختصاص داده شده بود، قرار داد. چادویک با مشاهده ساخت تاسیسات انتشار گاز K-25 در اوک ریج، تنسی، غیرعملی بودن ساخت چنین کارخانه ای در زمان جنگ بریتانیا را تصدیق کرد و تشخیص داد که مقیاس عظیم آن پنهان شدن از لوفت وافه را غیرممکن می کرد. در اوایل سال 1944، او به همراه همسرش و دوقلوهایشان که تا آن زمان لهجه کانادایی را پذیرفته بودند، به لوس آلاموس، نیومکزیکو نقل مکان کرد. برای پروتکل های امنیتی، او نام مستعار جیمز چافی را برگزید.

چدویک تصدیق کرد که کمک آمریکا به شدت ضروری نیست اما پتانسیل آن را برای تسریع در تکمیل موفقیت آمیز پروژه تشخیص داد. چادویک با همکاری نزدیک با سرلشکر لزلی آر. گرووز جونیور، مدیر پروژه منهتن، خود را وقف حمایت از این ابتکار کرد. علاوه بر این، او از نظر استراتژیک به دنبال ادغام دانشمندان بریتانیایی در اجزای مختلف پروژه بود، با هدف ایجاد زمینه‌ای برای برنامه تسلیحات هسته‌ای بریتانیا پس از جنگ، تعهدی که او به شدت از آن حمایت می‌کرد. درخواست‌های Groves که از طریق Chadwick برای دانشمندان خاص ارسال می‌شد، اغلب با مقاومت اولیه شرکت‌ها، وزارتخانه‌ها یا دانشگاه‌های مربوطه مواجه می‌شدند، اما اولویت اصلی تعیین‌شده به پروژه آلیاژ لوله جایگزین شد. در نتیجه، نیروهای بریتانیایی برای موفقیت کلی پروژه ضروری بودند.

علیرغم داشتن دانش بی‌نظیر از پروژه در میان پرسنل بریتانیایی، چادویک به‌طور مداوم به سایت هانفورد دسترسی نداشت. در سال 1946، زمانی که لرد پورتال برای بازدید از هانفورد دعوت شد - تنها مکانی که چادویک در طول جنگ از حضور در آن منع شده بود - چادویک از گرووز درخواست کرد تا او را همراهی کند. گرووز موافقت کرد، اما هشدار داد که در صورت حضور چادویک، دسترسی پورتال به طور قابل توجهی محدود خواهد شد. چادویک برای مشارکت‌هایش در 1 ژانویه 1945 نشان شوالیه را در جشن سال نو اعطا کرد، تقدیری که او به‌عنوان به رسمیت شناختن کل پروژه آلیاژهای لوله تعبیر کرد.

در اوایل سال 1945، چادویک عمدتاً در واشنگتن دی سی زندگی می‌کرد و خانواده‌اش در آوریل همان سال از لوس آلاموس به دایره دوپونت نقل مکان کردند. او در جلسه کمیته سیاست ترکیبی در 4 ژوئیه شرکت کرد، جایی که فیلد مارشال سر هنری میتلند ویلسون رضایت بریتانیا را برای استفاده از بمب اتمی علیه ژاپن تایید کرد. چادویک همچنین در آزمایش هسته ای ترینیتی در 16 جولای حضور داشت و شاهد انفجار اولین بمب اتمی بود. این دستگاه دارای یک آغازگر نوترون مدوله‌شده با پلونیوم بریلیوم بود، یک پیشرفت تکنولوژیکی ناشی از روشی که چادویک برای کشف نوترون در یک دهه قبل به کار گرفته بود. ویلیام ال. لارنس، خبرنگار نیویورک تایمز که به پروژه منهتن منصوب شده بود، مشاهده کرد که "تا به حال هرگز در تاریخ هیچ انسانی زندگی نکرده بود که کشف خود را با چنین تأثیر گویا بر سرنوشت انسان تحقق بخشد."

زندگی بعدی

پس از پایان جنگ، چادویک به کمیته مشورتی انرژی اتمی (ACAE) منصوب شد و به عنوان مشاور علمی بریتانیا در کمیسیون انرژی اتمی سازمان ملل متحد خدمت کرد. او با پاتریک بلکت، عضو دیگر ACAE، که با اعتقاد چادویک مبنی بر اینکه بریتانیا به سلاح های هسته ای خود نیاز دارد، مخالفت کرد، با اختلاف نظر مواجه شد. با این حال، دیدگاه چادویک در نهایت پیروز شد. او در سال 1946 به بریتانیا بازگشت و متوجه شد که کشوری هنوز با جیره‌بندی و کمبود منابع در زمان جنگ دست و پنجه نرم می‌کند.

در این مقطع، سر جیمز مونتفورد، معاون رئیس دانشگاه لیورپول، در دفتر خاطرات خود ثبت کرد که هرگز با فردی «از نظر جسمی، ذهنی و روحی به اندازه‌ای که از نظر جسمی، روحی و روانی خسته شده بود» مواجه نشده بود. تصمیم اخلاقی چون مردان خوش شانس تر هرگز خواسته نمی شوند حتی به ... [و رنج کشیده اند] ... عذاب مسئولیت تقریباً غیرقابل تحمل ناشی از کار علمی او."

در سپتامبر 1949، ادوارد تلر از انگلستان بازدید کرد تا درباره انرژی و ایمنی هسته ای بحث کند و با سر جیمز چادویک و همسرش در محل اقامتشان در کمبریج صرف غذا کرد. در حالی که همسرش یک گفتگوگر جذاب بود، سر جیمز به طور مشخص خودداری می کرد. با این حال، هنگامی که تلر اظهار نظر نامطلوبی در مورد ژنرال گرووز کرد، چادویک به طور قابل توجهی پر سر و صدا شد و اظهار داشت که پروژه بدون گرووز موفق نمی شد، علیرغم اینکه گرووز از بریتانیایی ها خوشش نمی آمد.

در سال 1948، چادویک استادیوم گونویل و کالج کایوس در کمبریج را پذیرفت. این موقعیت معتبر بود، اما فاقد اقتدار واضح بود، زیرا استاد به عنوان رئیس عنوان خدمت می کرد در حالی که قدرت واقعی با شورایی متشکل از 13 نفر از جمله استاد بود. چادویک به عنوان استاد تلاش کرد تا جایگاه علمی کالج را ارتقا دهد. او تعداد بورسیه های پژوهشی را از 31 به 49 افزایش داد و فعالانه به دنبال جذب استعدادهای جدید بود. این شامل تصمیمات بحث برانگیز، مانند انتصاب بیوشیمیدان چینی تین چین تسائو در سال 1951 و اقتصاددان مجارستانی، پیتر بائر بود. در رویدادی به نام "شورش دهقانان"، یاران به رهبری پاتریک هدلی یکی از دوستان قدیمی چادویک را از شورا خارج کردند و بائر را جایگزین او کردند. متحدان دیگر چادویک در سال‌های بعدی حذف شدند و منجر به بازنشستگی او در نوامبر 1958 شد. دانشجوی کالج گونویل و کایوس، همراه با روزالیند فرانکلین و جیمز واتسون، ساختار DNA را توضیح دادند.

در دهه 1970، سلامت چادویک رو به کاهش بود و او به ندرت آپارتمان خود را ترک می کرد، اگرچه برای جشن تولد هشتاد سالگی خود به لیورپول سفر کرد. او که یک ملحد مادام العمر بود، جهان بینی سکولار خود را در سال های آخر زندگی خود حفظ کرد. او در 24 ژوئیه 1974 در کمبریج در سن 82 سالگی با آرامش در خواب از دنیا رفت.

تشخیص

عضویت ها

جوایز

افتخارات جوانمردی

یادبود

• مقاله‌های آرشیوی چادویک در مرکز آرشیو چرچیل در کمبریج نگهداری می‌شوند و برای عموم قابل دسترسی هستند.
• آزمایشگاه چادویک در دانشگاه لیورپول قرار دارد.
• کرسی فیزیک تجربی سر جیمز چادویک، همچنین در دانشگاه لیورپول، در سال 1991 به عنوان بخشی از جشن‌های بزرگداشت صدمین سالگرد تولد وی تأسیس شد.
• ساختمان جیمز چادویک در دانشگاه منچستر دارای بخش‌هایی از دانشکده مهندسی شیمی و علوم تحلیلی و همچنین مرکز صنعتی برای مهندسی پایدار است.
• لورنا آرنولد، مورخ رسمی سازمان انرژی اتمی بریتانیا، چادویک را به عنوان "فیزیکدان، دانشمند-دیپلمات، و مردی خوب، خردمند و انسان دوست" توصیف کرد.
• دهانه چادویک در ماه قرار دارد.

یادداشت ها

مراجع

• "سر جیمز چادویک، 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.: 80th birthday." فیزیک معاصر، 13 (3): 310، 1972. Bibcode:1972ConPh..13..310.. doi:10.1080/00107517208205684.رادرفورد، ارنست؛ چادویک، جیمز؛ الیس، چارلز دی (2010). تابش از مواد رادیواکتیو (بازنشر ویرایش دوم). انتشارات دانشگاه کمبریج ISBN 978-1-108-00901-0.متن مصاحبه تاریخ شفاهی با جیمز چادویک که در 15 آوریل 1969 انجام شد، در مؤسسه فیزیک آمریکا، کتابخانه نیلز بور و amp; آرشیو (جلسه اول).
  • متن مصاحبه تاریخ شفاهی با جیمز چادویک در 15 آوریل 1969، موسسه آمریکایی فیزیک، کتابخانه نیلز بور و amp; آرشیو – جلسه اول
  • متن مصاحبه تاریخ شفاهی با جیمز چادویک که در 16 آوریل 1969 انجام شد، در موسسه آمریکایی فیزیک، کتابخانه نیلز بور و بایگانی شد. آرشیو (جلسه دوم).
  • متن مصاحبه تاریخ شفاهی با جیمز چادویک که در 17 آوریل 1969 انجام شد، در موسسه آمریکایی فیزیک، کتابخانه نیلز بور و بایگانی شد. آرشیو (جلسه سوم).
  • متن مصاحبه تاریخ شفاهی با جیمز چادویک که در 20 آوریل 1969 انجام شد، در مؤسسه فیزیک آمریکا، کتابخانه نیلز بور و amp; آرشیو (جلسه چهارم).
  • جیمز چادویک در Nobelprize.org