Sir James Chadwick (20 octobre 1891 – 24 juillet 1974), éminent physicien expérimental britannique, a reçu le prix Nobel de physique en 1935 pour sa découverte révolutionnaire du neutron. Ses contributions significatives s'étendent au rapport MAUD, dont il rédige la version finale en 1941, un document qui a joué un rôle déterminant pour inciter le gouvernement des États-Unis à lancer d'importantes recherches sur la bombe atomique. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Chadwick dirigea le contingent britannique impliqué dans le projet Manhattan. En reconnaissance de ses profondes réalisations en physique nucléaire, il fut fait chevalier en Grande-Bretagne en 1945.
Sir James Chadwick (20 octobre 1891 – 24 juillet 1974) était un physicien expérimental britannique qui reçut le prix Nobel de physique en 1935 pour sa découverte du neutron. En 1941, il rédigea la version finale du rapport MAUD, qui inspira le gouvernement américain à lancer de sérieux efforts de recherche sur la bombe atomique. Il était à la tête de l'équipe britannique qui a travaillé sur le projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale. Il a été fait chevalier en Grande-Bretagne en 1945 pour ses réalisations en physique nucléaire.
Chadwick a terminé ses études de premier cycle à l'Université Victoria de Manchester en 1911, où il a été encadré par Ernest Rutherford, largement reconnu comme le « père de la physique nucléaire ». Il poursuivit ses études de troisième cycle sous la direction de Rutherford à Manchester, obtenant sa maîtrise ès sciences en 1913. La même année, Chadwick obtint une bourse de recherche de 1851 de la Commission royale pour l'exposition de 1851, choisissant de poursuivre ses recherches sur les rayonnements bêta avec Hans Geiger à Berlin. En utilisant le compteur Geiger innovant de Geiger, Chadwick a démontré de manière concluante que le rayonnement bêta présente un spectre continu, remettant en question la croyance dominante selon laquelle il produisait des raies discrètes. Son séjour en Allemagne fut interrompu par le déclenchement de la Première Guerre mondiale, conduisant à son internement pendant quatre ans au camp de Ruhleben.
Après la Première Guerre mondiale, Chadwick rejoignit Rutherford au Laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge, où il obtint son doctorat en philosophie en juin 1921, supervisé par Rutherford par l'intermédiaire du Gonville et du Caius College. Pendant plus de dix ans, il a été directeur adjoint de la recherche de Rutherford au laboratoire Cavendish, alors centre mondial de recherche en physique, attirant des étudiants notables tels que John Cockcroft, Norman Feather et Mark Oliphant. À la suite de sa découverte des neutrons, Chadwick a procédé à la mesure de sa masse, prévoyant son potentiel en tant qu'outil important dans le traitement du cancer. En 1935, Chadwick quitta le Laboratoire Cavendish pour devenir professeur de physique à l'Université de Liverpool, où il modernisa un laboratoire obsolète et en fit un centre crucial pour les études de physique nucléaire en installant un cyclotron.
Petite enfance et éducation
James Chadwick est né dans le Cheshire, en Angleterre, le 20 octobre 1891, l'aîné de John Joseph Chadwick, filateur de coton, et d'Anne Mary Knowles, domestique. Il a reçu son nom, James, en l'honneur de son grand-père paternel. En 1895, ses parents déménagent à Manchester, confiant ses soins à ses grands-parents maternels. Chadwick a fréquenté l'école primaire de Bollington Cross et a ensuite reçu une offre de bourse à la Manchester Grammar School ; cependant, sa famille a refusé en raison de son incapacité à couvrir les modestes frais restants. Par conséquent, il s'est inscrit à la Central Grammar School for Boys de Manchester, où il a retrouvé ses parents. A cette époque, il avait deux frères plus jeunes, Harry et Hubert ; une sœur aînée était décédée en bas âge. À l'âge de 16 ans, Chadwick a concouru avec succès pour deux bourses universitaires, obtenant les deux.
En 1908, Chadwick s'est inscrit à l'Université Victoria de Manchester, avec l'intention de poursuivre des études en mathématiques, mais s'est par inadvertance inscrit en physique. Comme de nombreux étudiants de son époque, il résidait chez lui, parcourant 6,4 km par jour vers et depuis l'université. Après sa première année, il a reçu une bourse Heginbottom pour des études de physique. Le département de physique, sous la direction d'Ernest Rutherford, confie des projets de recherche aux étudiants de dernière année. Rutherford a chargé Chadwick de développer une méthode pour comparer la production d'énergie radioactive de deux sources distinctes. Le concept proposé impliquait de quantifier ces sources sur la base de l'activité de 1 gramme (0,035 oz) de radium, une unité désignée plus tard sous le nom de curie. Même si Chadwick était conscient du caractère irréaliste de la suggestion initiale de Rutherford – une préoccupation qu'il hésitait à exprimer – il persévéra et finit par formuler la méthodologie requise. Ces découvertes constituèrent la publication inaugurale de Chadwick, co-écrite avec Rutherford, parue en 1912. Il obtint son diplôme avec mention très bien en 1911.
Après avoir développé une méthode de mesure du rayonnement gamma, Chadwick a quantifié son absorption par divers gaz et liquides. La publication qui en a résulté a été publiée uniquement sous son nom. En 1912, il obtient sa maîtrise. et nommé Beyer Fellow. L'année suivante, il reçut une bourse d'exposition de 1851, ce qui facilita sa poursuite d'études et de recherches dans une université d'Europe continentale. En 1913, il choisit de rejoindre la Physikalisch-Technische Reichsanstalt à Berlin pour enquêter sur les rayonnements bêta sous la direction de Hans Geiger. En utilisant le compteur Geiger récemment inventé par Geiger, qui offrait une précision supérieure par rapport aux techniques photographiques antérieures, Chadwick a démontré que le rayonnement bêta ne présentait pas de lignes discrètes, comme théorisé précédemment, mais plutôt un spectre continu caractérisé par des pics dans des régions spécifiques. Au cours d'une "Le spectre continu est resté un phénomène non résolu pendant de nombreuses années.
Chadwick était encore en Allemagne lorsque la Première Guerre mondiale a éclaté, ce qui a conduit à son internement au camp de Ruhleben, près de Berlin. Là, il a été autorisé à établir un laboratoire dans les écuries et à mener des expériences scientifiques en utilisant des matériaux improvisés, notamment du dentifrice radioactif. En collaboration avec Charles Drummond Ellis, il a étudié l'ionisation du phosphore et la réaction photochimique entre le monoxyde de carbone et le chlore. Après l'armistice avec l'Allemagne en novembre 1918, il fut libéré et retourna à la résidence de ses parents à Manchester, où il compila ses résultats de recherche des quatre années précédentes pour les commissaires de l'exposition de 1851. Rutherford offrit à Chadwick un poste d'enseignant à temps partiel à Manchester, lui permettant de poursuivre ses efforts de recherche. Il étudia la charge nucléaire du platine, de l'argent et du cuivre, déterminant expérimentalement qu'elle correspondait au numéro atomique avec une marge d'erreur de moins de 1,5 pour cent. En avril 1919, Rutherford assuma la direction du laboratoire Cavendish à l'Université de Cambridge, et Chadwick l'y rejoignit quelques mois plus tard. Chadwick obtint une bourse d'études Clerk Maxwell en 1920 et s'inscrivit ensuite comme candidat au doctorat au Gonville and Caius College de Cambridge. Gonville et Caius College en novembre de la même année.
Carrière et recherche
Cambridge
La bourse d'études Clerk Maxwell de Chadwick s'est terminée en 1923 et le physicien russe Pyotr Kapitza lui a succédé. Sir William McCormick, président du conseil consultatif du département de recherche scientifique et industrielle, a fait en sorte que Chadwick devienne le directeur adjoint de la recherche de Rutherford. À ce titre, Chadwick a aidé Rutherford à sélectionner un doctorat. étudiants, un groupe qui, au cours des années suivantes, comprenait John Cockcroft, Norman Feather et Mark Oliphant, qui ont tous développé des amitiés étroites avec Chadwick. Étant donné que de nombreux étudiants n'avaient pas d'intérêts de recherche définis, Rutherford et Chadwick proposaient fréquemment des sujets appropriés. Chadwick était également responsable de la rédaction de tous les articles scientifiques produits par le laboratoire.
En 1925, Chadwick rencontra Aileen Stewart-Brown, la fille d'un agent de change de Liverpool. Ils se marièrent en août 1925, Kapitza étant le témoin. Le couple a eu des filles jumelles, Joanna et Judith, en février 1927.
Dans ses recherches en cours, Chadwick a continué à étudier le noyau atomique. En 1925, le concept de spin avait fourni une explication de l’effet Zeeman, tout en introduisant simultanément des anomalies non résolues. À cette époque, la théorie dominante postulait que le noyau était constitué de protons et d’électrons ; par exemple, un noyau d'azote ayant un nombre de masse de 14 était présumé contenir 14 protons et 7 électrons. Bien que ce modèle prenne correctement en compte la masse et la charge du noyau, il n'a pas réussi à concilier le spin observé.
Lors d'une conférence en 1928 à Cambridge axée sur les particules bêta et les rayons gamma, Chadwick a renoué avec Geiger. Geiger a présenté une version améliorée de son compteur Geiger, affiné par son élève Walther Müller. N'ayant pas utilisé un tel appareil depuis la guerre, Chadwick a reconnu le potentiel du compteur Geiger-Müller comme une avancée significative par rapport aux méthodes de scintillation dominantes à Cambridge, qui nécessitaient une observation visuelle humaine. Sa principale limitation, cependant, était sa détection des rayonnements alpha, bêta et gamma ; par conséquent, le radium, couramment utilisé dans les expériences du laboratoire Cavendish et émettant les trois types, s'est avéré inadapté aux objectifs de recherche spécifiques de Chadwick. Néanmoins, le polonium, étant un émetteur alpha exclusif, offrait une alternative viable, et Lise Meitner en a ensuite expédié environ 2 millicuries (équivalent à environ 0,5 μg) à Chadwick depuis l'Allemagne.
Liverpool
L'avènement de la Grande Dépression au Royaume-Uni a conduit à un conservatisme fiscal accru du gouvernement en matière de financement scientifique. Parallèlement, le cyclotron innovant d'Ernest Lawrence présentait une perspective révolutionnaire pour la physique nucléaire expérimentale, suscitant l'inquiétude de Chadwick selon laquelle le laboratoire Cavendish deviendrait technologiquement obsolète sans l'acquisition d'un tel instrument. Par conséquent, Chadwick éprouvait de la frustration à l'égard de Rutherford, qui maintenait la conviction qu'une recherche importante en physique nucléaire pouvait se poursuivre sans un appareil conséquent et coûteux, et rejetait donc la proposition d'un cyclotron.
Chadwick était un critique notable de la « grande science » en général, et en particulier de Lawrence, dont il percevait la méthodologie comme imprécise et trop dépendante de la technologie au détriment de la recherche scientifique fondamentale. Lors de la conférence Solvay de 1933, lorsque Lawrence avança l'existence d'une nouvelle particule jusqu'alors inconnue comme source potentielle d'énergie infinie, Chadwick rétorqua que les phénomènes observés s'expliquaient de manière plus plausible par la contamination des équipements. Lawrence a ensuite réévalué ses découvertes à Berkeley, confirmant l'évaluation de Chadwick, tandis que Rutherford et Oliphant menaient simultanément une enquête au laboratoire Cavendish, qui révélait que la fusion du deutérium en hélium-3 était responsable de l'effet que Lawrence avait initialement observé. Cela représentait une autre avancée scientifique importante, bien qu'elle ait été réalisée grâce à l'accélérateur de particules Oliphant-Rutherford, un instrument coûteux et avancé.
En mars 1935, Chadwick reçut une offre pour la chaire de physique Lyon Jones à l'Université de Liverpool, située dans la ville natale de sa femme, en tant que successeur de Lionel Wilberforce. Malgré l'état vétuste du laboratoire, fonctionnant uniquement à l'électricité en courant continu, Chadwick accepta le poste et commença son mandat le 1er octobre 1935. Le niveau académique de l'université fut ensuite amélioré par l'annonce du prix Nobel par Chadwick en novembre 1935. Sa médaille Nobel fut ensuite vendue aux enchères en 2014, pour 329 000 $.
Chadwick a lancé des efforts pour acquérir un cyclotron pour l'Université de Liverpool. Sa première étape consistait à allouer 700 £ à la rénovation des laboratoires obsolètes de Liverpool, permettant la fabrication en interne de certains composants. Il a réussi à obtenir 2 000 £ de l'université et une subvention supplémentaire de 2 000 £ de la Royal Society. Pour la construction du cyclotron, Chadwick a recruté deux jeunes spécialistes, Bernard Kinsey et Harold Walke, qui avaient tous deux une expérience préalable avec Lawrence à l'Université de Californie. Un fabricant de câbles local a fourni le conducteur en cuivre requis pour les bobines. Metropolitan-Vickers, située à Trafford Park, a fabriqué l'aimant de 50 tonnes du cyclotron et a également produit sa chambre à vide. En juillet 1939, le cyclotron était entièrement installé et opérationnel. Le coût total, s'élevant à 5 184 £, dépassait les contributions combinées de l'université et de la Royal Society ; par conséquent, Chadwick a personnellement couvert le solde restant en utilisant les fonds de son prix Nobel de 159 917 kr (8 243 £).
À l'Université de Liverpool, les facultés de médecine et de sciences entretenaient une relation de collaboration étroite. Chadwick était automatiquement membre du comité des deux facultés et, en 1938, il fut nommé à une commission, présidée par Lord Derby, chargée d'examiner les dispositions relatives au traitement du cancer à Liverpool. Chadwick a imaginé que les neutrons et les isotopes radioactifs générés par le cyclotron de 37 pouces pourraient jouer un rôle déterminant dans la recherche biochimique et potentiellement servir d'outil thérapeutique en oncologie.
Découverte du neutron
En Allemagne, Walther Bothe et son élève Herbert Becker ont utilisé le polonium pour bombarder le béryllium avec des particules alpha, générant une forme anormale de rayonnement. James Chadwick a ensuite chargé Hugh Webster, spécialiste de l'exposition australienne de 1851, de reproduire ces découvertes. Chadwick a interprété ces observations comme la corroboration d'une hypothèse de longue date qu'il partageait avec Ernest Rutherford : l'existence du neutron, une particule nucléaire théorique dépourvue de charge électrique. Par la suite, en janvier 1932, Norman Feather alerta Chadwick d'un autre résultat inattendu. Frédéric et Irène Joliot-Curie avaient réussi à déloger les protons de la cire de paraffine, en utilisant le polonium et le béryllium comme source de ce qu'ils présumaient être un rayonnement gamma. Rutherford et Chadwick ont contesté cette interprétation, arguant que les protons étaient excessivement massifs pour une telle interaction avec les rayons gamma. À l’inverse, les neutrons n’auraient besoin que d’une énergie minimale pour obtenir le même effet. Au même moment, à Rome, Ettore Majorana arrivait indépendamment à la même conclusion : les Joliot-Curie avaient découvert par inadvertance le neutron sans reconnaître sa véritable nature.
Chadwick a suspendu tous ses autres engagements pour se concentrer sur la preuve de l'existence du neutron, en recevant l'aide de Feather et en travaillant souvent jusque tard dans la nuit. Il a conçu une configuration expérimentale simple comprenant un cylindre abritant une source de polonium et une cible en béryllium. Le rayonnement émis était ensuite dirigé vers un matériau comme la cire de paraffine. Les particules éjectées, identifiées comme des protons, sont ensuite entrées dans une petite chambre d'ionisation où elles ont été détectables via un oscilloscope. En février 1932, après environ deux semaines d'expérimentation sur les neutrons, Chadwick soumit une lettre à Nature, intitulée "Existence possible d'un neutron". Il a ensuite détaillé ses découvertes dans un article envoyé aux Proceedings of the Royal Society A en mai, intitulé "L'existence d'un neutron". Son identification du neutron a représenté une avancée cruciale dans la compréhension de la physique nucléaire. Après avoir examiné la publication de Chadwick, Robert Bacher et Edward Condon ont reconnu que les incohérences théoriques existantes, telles que le spin nucléaire de l'azote, pourraient être résolues si le neutron possédait un spin de 1/2 et si un noyau d'azote comprenait sept protons et sept neutrons.
Les physiciens théoriciens Niels Bohr et Werner Heisenberg ont étudié si le neutron constituait une particule nucléaire fondamentale, semblable au proton et à l'électron, plutôt qu'un composite proton-électron. Heisenberg a démontré que le neutron était caractérisé le plus précisément comme une nouvelle particule nucléaire, même si ses caractéristiques précises restaient indéfinies. Lors de sa conférence Bakerian de 1933, Chadwick a calculé que la masse du neutron était d'environ 1,0067 Da. Étant donné qu'un proton et un électron possédaient collectivement une masse de 1,0078 u, cela suggérait qu'un neutron, s'il était considéré comme un composite proton-électron, aurait une énergie de liaison d'environ 92 MeV. Même si cette valeur semblait plausible, la stabilité d’une particule avec une énergie de liaison aussi minime représentait un défi conceptuel. Cependant, la détermination d'une différence de masse aussi infime a nécessité des mesures exceptionnellement précises, conduisant à plusieurs découvertes contradictoires entre 1933 et 1934. Par exemple, Frédéric et Irène Joliot-Curie ont rapporté une valeur de masse de neutrons substantielle grâce au bombardement de particules alpha de bore, tandis que le groupe d'Ernest Lawrence de l'Université de Californie a obtenu une valeur plus petite. Par la suite, Maurice Goldhaber, réfugié de l'Allemagne nazie et étudiant diplômé au Laboratoire Cavendish, a proposé à Chadwick que les deutons pourraient subir une photodésintégration lorsqu'ils sont exposés aux rayons gamma de 2,6 MeV émis par le 208Tl (alors identifié comme étant le thorium C").
- Ce processus particulier offrait une méthode pour déterminer avec précision la masse du neutron. Chadwick et Goldhaber ont mis en œuvre cette approche et confirmé son efficacité. Ils ont mesuré l'énergie cinétique du proton résultant à 1,05 MeV, isolant ainsi la masse du neutron comme seule variable inconnue dans leur calcul. Chadwick et Goldhaber ont calculé la masse du neutron comme étant de 1,0084 ou 1,0090 unités atomiques, en fonction des valeurs de masse spécifiques utilisées pour le proton et le deuton. (La valeur de masse actuellement acceptée pour le neutron est de 1,00866 Da.) La masse déterminée du neutron était trop importante pour être cohérente avec une composition de paires proton-électron.
Une valeur précise de la masse du neutron pourrait être déterminée à partir de ce processus. Chadwick et Goldhaber ont essayé cette méthode et ont constaté que cela fonctionnait. Ils ont mesuré l’énergie cinétique du proton produit à 1,05 MeV, laissant la masse du neutron comme inconnue dans l’équation. Chadwick et Goldhaber ont calculé qu'il s'agissait de 1,0084 ou de 1,0090 unités atomiques, selon les valeurs utilisées pour les masses du proton et du deuton. (La valeur moderne acceptée pour la masse du neutron est 1,00866 Da.) La masse du neutron était trop grande pour être une paire proton-électron.
Chadwick a reçu de nombreuses distinctions pour sa découverte du neutron, notamment la médaille Hughes en 1932, le prix Nobel de physique en 1935, la médaille Copley en 1950 et la médaille Franklin en 1951. Cette découverte cruciale a permis la synthèse en laboratoire d'éléments transuraniens grâce à la capture de neutrons lents suivie d'une désintégration bêta. Contrairement aux particules alpha chargées positivement, qui subissent une répulsion des forces électriques présentes dans les noyaux atomiques, les neutrons ne sont pas soumis à une barrière coulombienne. Par conséquent, ils peuvent facilement pénétrer et s’intégrer dans les noyaux des éléments les plus lourds, comme l’uranium. Cette caractéristique a incité Enrico Fermi à explorer les réactions nucléaires induites par des collisions lentes de neutrons, une entreprise qui lui a valu le prix Nobel en 1938.
Le 4 décembre 1930, Wolfgang Pauli a postulé l'existence d'une nouvelle particule pour élucider le spectre continu du rayonnement bêta, un phénomène que Chadwick avait documenté en 1914. L'écart apparent dans la conservation de l'énergie, où toute l'énergie du rayonnement bêta n'était pas prise en compte, a conduit Pauli à proposer qu'une particule supplémentaire, alors non découverte, devait être impliquée. Pauli avait initialement qualifié cette particule de neutron, mais elle était distincte de la découverte de Chadwick. Fermi l'a ensuite rebaptisé neutrino, dérivé de l'italien signifiant « petit neutron ». En 1934, Fermi avança sa théorie de la désintégration bêta, postulant que les électrons émis par le noyau provenaient de la désintégration d'un neutron en un proton, un électron et un neutrino. Même si le neutrino pouvait expliquer l’énergie manquante, sa masse minime et son absence de charge électrique rendaient sa détection difficile. Rudolf Peierls et Hans Bethe ont calculé que les neutrinos pouvaient facilement traverser la Terre, ce qui suggère une faible probabilité d'observation. Cependant, Frederick Reines et Clyde Cowan ont confirmé expérimentalement la présence du neutrino le 14 juin 1956, en plaçant un détecteur au sein d'un flux d'antineutrinos important émanant d'un réacteur nucléaire voisin.
La Seconde Guerre mondiale
Projet Tube Alloys et rapport MAUD
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Chadwick s'est engagé dans des recherches pour le projet Tube Alloys, qui visait à développer une bombe atomique, tandis que son laboratoire de Manchester et ses environs subissaient les bombardements aériens de la Luftwaffe. À la suite de l'Accord de Québec, qui intégrait son initiative au projet américain Manhattan, Chadwick rejoignit la mission britannique, entreprenant des travaux au laboratoire de Los Alamos et à Washington, D.C. Il obtint notamment la confiance presque totale du directeur du projet Leslie R. Groves, Jr. En reconnaissance de ses contributions, Chadwick fut fait chevalier dans les honneurs du Nouvel An le 1er janvier 1945. En juillet 1945, il observa l'essai nucléaire de Trinity. Par la suite, il a été conseiller scientifique britannique auprès de la Commission de l’énergie atomique des Nations Unies. Exprimant son malaise face à la tendance naissante de la « grande science », il retourna à Cambridge, assumant le rôle de maître du Gonville et du Caius College en 1948.
En Allemagne, Otto Hahn et Fritz Strassmann menèrent des expériences bombardant l'uranium avec des neutrons, observant la production de baryum, un élément plus léger, parmi les produits de réaction. Auparavant, de tels processus ne produisaient que des éléments de masse atomique égale ou supérieure. En janvier 1939, Lise Meitner et son neveu Otto Frisch publièrent un article fondateur qui élucidait ce résultat inattendu, captivant la communauté des physiciens. Ils postulaient que les atomes d’uranium, lorsqu’ils étaient soumis à un bombardement de neutrons, pouvaient se diviser en deux fragments à peu près égaux, un processus qu’ils appelaient fission nucléaire. Leurs calculs ont indiqué une libération d'énergie d'environ 200 MeV, ce qui signifie une production d'énergie d'un ordre de grandeur dépassant celle des réactions chimiques, une théorie que Frisch a ensuite validée expérimentalement. Hahn a vite compris que si des neutrons étaient libérés lors d'une fission, une réaction nucléaire en chaîne pourrait être déclenchée. Les scientifiques français Pierre Joliot, Hans von Halban et Lew Kowarski ont par la suite confirmé qu'en effet plus d'un neutron était émis par événement de fission. Dans un article collaboratif avec le physicien américain John Wheeler, Niels Bohr a émis l'hypothèse que la fission était plus probable dans l'isotope de l'uranium 235, qui ne constitue que 0,7 % de l'uranium naturel.
Chadwick, incrédule à la perspective d'une nouvelle guerre avec l'Allemagne en 1939, avait emmené sa famille pour des vacances dans un lac isolé du nord de la Suède. La déclaration de la Seconde Guerre mondiale fut donc un choc profond. Résolu à éviter l'internement, Chadwick s'est rapidement rendu à Stockholm avec sa famille, pour découvrir que tous les vols entre Stockholm et Londres étaient suspendus. Leur voyage de retour vers l'Angleterre s'est effectué à bord d'un bateau à vapeur. À son arrivée à Liverpool, Chadwick a rencontré Joseph Rotblat, un boursier postdoctoral polonais qui avait eu l'intention de collaborer au projet du cyclotron mais qui se retrouvait désormais sans soutien financier en raison du retrait des fonds de la Pologne. Chadwick a immédiatement nommé Rotblat comme conférencier, malgré sa maîtrise limitée de l'anglais.
En octobre 1939, Edward Appleton, secrétaire du Département de la recherche scientifique et industrielle, sollicita l'évaluation de Chadwick concernant la viabilité d'une bombe atomique. La réponse de Chadwick fut circonspecte ; sans rejeter le concept, il a minutieusement détaillé les nombreux défis théoriques et pratiques. Par la suite, Chadwick a choisi d’étudier plus en profondeur les caractéristiques de l’oxyde d’uranium avec Rotblat. En mars 1940, Otto Frisch et Rudolf Peierls de l'Université de Birmingham revisitèrent ces considérations théoriques dans un document appelé plus tard le mémorandum Frisch-Peierls. Leur analyse est passée d'un oxyde d'uranium non enrichi à une sphère d'uranium 235 pur, révélant qu'une réaction en chaîne était non seulement possible, mais qu'elle pouvait être initiée avec aussi peu qu'un kilogramme (2,2 lb) d'uranium 235, libérant une énergie équivalente à des tonnes de dynamite.
Pour approfondir cette question, un sous-comité spécialisé du Comité pour l'étude scientifique de la guerre aérienne (CSSAW), appelé Comité MAUD, a été créé. Présidé par George Paget Thomson, ses premiers membres comprenaient Chadwick, Mark Oliphant, John Cockcroft et Philip Moon. Tandis que d'autres groupes étudiaient les méthodologies d'enrichissement de l'uranium, l'équipe de Chadwick à Liverpool s'est concentrée sur la détermination de la section efficace nucléaire de l'uranium 235. En avril 1941, des données expérimentales confirmèrent que la masse critique de l'uranium 235 pourrait être de 8 kilogrammes (18 lb) ou moins. Ces recherches furent considérablement entravées par les bombardements aériens persistants de la Luftwaffe près de son laboratoire de Liverpool, qui brisaient fréquemment les fenêtres, nécessitant leur remplacement par du carton.
En juillet 1941, Chadwick fut chargé de rédiger la version concluante du rapport MAUD. Ce document, présenté par Vannevar Bush au président Franklin D. Roosevelt en octobre 1941, incita le gouvernement américain à allouer des fonds substantiels au développement de la bombe atomique. Lors d'une réunion entre Pegram et Harold Urey pour évaluer l'avancement du projet, alors connu sous le nom de Tube Alloys, Chadwick a exprimé sa conviction, déclarant : « J'aimerais pouvoir vous dire que la bombe ne fonctionnera pas, mais je suis sûr à 90 % qu'elle fonctionnera. » Graham Farmelo, dans une publication contemporaine concernant l'initiative de la bombe atomique, a affirmé que « Chadwick a fait plus que tout autre scientifique pour donner la bombe à Churchill. ... Chadwick a été testé presque jusqu'au point de rupture. » Sa profonde anxiété, qui perturbait son sommeil, a conduit Chadwick à recourir à des somnifères pendant la majeure partie de sa vie ultérieure. Chadwick a expliqué plus tard qu'« une bombe nucléaire était non seulement possible, mais inévitable. Tôt ou tard, ces idées ne pourraient pas nous être propres. Tout le monde y penserait avant longtemps et un pays les mettrait en pratique. » Sir Hermann Bondi a avancé que c'était par hasard que Chadwick, plutôt que Rutherford, occupait la position prééminente dans la physique britannique à cette époque, car la réputation établie de Rutherford aurait autrement pu éclipser l'engagement prospectif de Chadwick dans le potentiel de la bombe.
Projet Manhattan
En raison de la menace de bombardements aériens, la famille Chadwick a évacué ses jumeaux vers le Canada dans le cadre d'un plan gouvernemental. Parallèlement, Chadwick a exprimé des réserves quant au transfert du projet Tube Alloys au Canada, affirmant que le Royaume-Uni était approprié pour une installation de séparation des isotopes. En 1942, l'ampleur de l'entreprise devint évidente : même une usine de séparation préliminaire devait dépasser 1 million de livres sterling, ce qui pesait lourdement sur les ressources britanniques, tandis qu'une installation à grande échelle était estimée à environ 25 millions de livres sterling. Par conséquent, la construction en Amérique est devenue impérative. Bien que les Britanniques aient reconnu la nécessité d'un effort de collaboration, les progrès rapides du projet américain Manhattan ont atténué le caractère critique perçu de la coopération britannique, malgré l'intérêt américain à tirer parti de l'expertise de Chadwick.
La résolution de la question de la coopération internationale a nécessité un engagement diplomatique de haut niveau. En septembre 1943, le premier ministre Winston Churchill et le président Roosevelt ont officialisé l'Accord de Québec, qui a rétabli les efforts de collaboration entre la Grande-Bretagne, les États-Unis et le Canada. Par la suite, Sir Wallace Akers, directeur de Tube Alloys, a convoqué Chadwick, Oliphant, Peierls et Simon aux États-Unis pour contribuer au projet Manhattan. L'Entente de Québec a également institué un nouveau Comité politique mixte pour superviser l'initiative conjointe. Compte tenu des réserves américaines à propos d'Akers, Chadwick fut désigné comme conseiller technique de ce comité et nommé chef de la mission britannique.
Après avoir confié à Rotblat des responsabilités à Liverpool, Chadwick entreprit une visite complète des installations du projet Manhattan en novembre 1943. Il se vit notamment refuser l'accès au site de Hanford, où le plutonium était fabriqué. Ce privilège unique le positionnait comme le seul individu, à part Groves et son adjoint, à avoir accès à toutes les installations américaines de recherche et de production dédiées à la bombe à l'uranium. En observant la construction de l'installation de diffusion gazeuse K-25 à Oak Ridge, Tennessee, Chadwick a reconnu l'impossibilité de construire une telle usine dans une Grande-Bretagne en temps de guerre, reconnaissant que son immense échelle aurait rendu impossible toute dissimulation à la Luftwaffe. Au début de 1944, il déménage à Los Alamos, au Nouveau-Mexique, accompagné de sa femme et de leurs jumeaux, qui ont alors adopté l'accent canadien. Pour les protocoles de sécurité, il a adopté le pseudonyme de James Chaffee.
Chadwick a reconnu que l'aide américaine n'était pas strictement nécessaire, mais a reconnu son potentiel pour accélérer la réussite du projet. Collaborant intimement avec le major général Leslie R. Groves, Jr., directeur du projet Manhattan, Chadwick s'est consacré à soutenir l'initiative. En outre, il a stratégiquement cherché à intégrer des scientifiques britanniques dans diverses composantes du projet, visant à jeter les bases d’un programme d’armes nucléaires britannique d’après-guerre, un engagement qu’il a fermement respecté. Les demandes de Groves, acheminées via Chadwick, concernant des scientifiques spécifiques se heurtaient souvent à une résistance initiale de la part de leurs entreprises, ministères ou universités respectifs, pour ensuite être remplacées par la priorité primordiale assignée au projet Tube Alloys. Par conséquent, le contingent britannique s'est avéré indispensable au succès global du projet.
Malgré une connaissance inégalée du projet parmi le personnel britannique, Chadwick n'avait toujours pas accès au site de Hanford. En 1946, lorsque Lord Portal reçut une invitation à visiter Hanford – le seul établissement dont Chadwick avait été exclu pendant la guerre – Chadwick demanda à Groves la permission de l'accompagner. Groves a accepté mais a averti que l'accès de Portal serait considérablement restreint si Chadwick était présent. Pour ses contributions, Chadwick a reçu le titre de chevalier dans le cadre des honneurs du Nouvel An le 1er janvier 1945, une distinction qu'il a interprétée comme une reconnaissance collective de l'ensemble du projet Tube Alloys.
Au début de 1945, Chadwick résidait principalement à Washington, D.C., et sa famille a déménagé de Los Alamos à Dupont Circle en avril de la même année. Il assista à la réunion du Comité politique combiné le 4 juillet, au cours de laquelle le maréchal Sir Henry Maitland Wilson confirma le consentement de la Grande-Bretagne à l'utilisation de la bombe atomique contre le Japon. Chadwick était également présent à l'essai nucléaire de Trinity le 16 juillet, témoin de la détonation de la première bombe atomique. L'appareil incorporait un initiateur de neutrons modulés au polonium-béryllium, une avancée technologique issue de la méthode que Chadwick avait utilisée pour découvrir le neutron plus d'une décennie auparavant. William L. Laurence, un journaliste du New York Times affecté au projet Manhattan, a observé que "jamais auparavant dans l'histoire aucun homme n'avait vécu pour voir sa propre découverte se matérialiser avec un effet aussi révélateur sur le destin de l'homme."
Vie plus tard
Après la fin de la guerre, Chadwick a été nommé au Comité consultatif sur l'énergie atomique (ACAE) et a été conseiller scientifique britannique auprès de la Commission de l'énergie atomique des Nations Unies. Il a rencontré des désaccords avec son collègue de l'ACAE, Patrick Blackett, qui s'opposait à la conviction de Chadwick selon laquelle la Grande-Bretagne avait besoin de ses propres armes nucléaires ; cependant, le point de vue de Chadwick a finalement prévalu. Il retourna en Grande-Bretagne en 1946, découvrant un pays toujours aux prises avec le rationnement et le manque de ressources en temps de guerre.
À ce stade, Sir James Mountford, vice-chancelier de l'Université de Liverpool, nota dans son journal qu'il n'avait jamais rencontré un individu « aussi fatigué physiquement, mentalement et spirituellement » que Chadwick, car il « avait sondé une décision morale si profonde que les hommes plus chanceux ne sont jamais appelés même à scruter... [et souffraient]... presque insupportables angoisses de responsabilité découlant de son travail scientifique. »
En septembre 1949, Edward Teller s'est rendu en Angleterre pour discuter de l'énergie nucléaire et de la sécurité, dînant avec Sir James Chadwick et son épouse dans leur résidence de Cambridge. Alors que sa femme était une causeuse engageante, Sir James restait typiquement réservé. Cependant, lorsque Teller a fait un commentaire défavorable à propos du général Groves, Chadwick s'est fait particulièrement entendre, affirmant que le projet n'aurait pas réussi sans Groves, bien qu'il reconnaisse l'aversion de Groves pour les Britanniques.
En 1948, Chadwick a accepté la maîtrise du Gonville and Caius College de Cambridge. Ce poste était prestigieux mais manquait d'autorité claire, car le Maître servait de chef titulaire tandis que le pouvoir réel résidait entre les mains d'un conseil de 13 membres, dont le Maître. En tant que maître, Chadwick s'est efforcé d'élever le niveau académique du collège. Il a augmenté le nombre de bourses de recherche de 31 à 49 et a activement cherché à attirer de nouveaux talents. Cela impliquait des décisions controversées, telles que les nominations en 1951 du biochimiste chinois Tien-chin Tsao et de l'économiste d'origine hongroise Peter Bauer. Lors d'un événement surnommé la « Révolte des paysans », des camarades dirigés par Patrick Hadley ont élu un vieil ami de Chadwick hors du conseil, le remplaçant par Bauer. D'autres alliés de Chadwick furent écartés au cours des années suivantes, conduisant à sa retraite en novembre 1958. Notamment, pendant sa maîtrise, Francis Crick, titulaire d'un doctorat. étudiant à Gonville et Caius College, avec Rosalind Franklin et James Watson, ont élucidé la structure de l'ADN.
Dans les années 1970, la santé de Chadwick déclinait et il quittait rarement son appartement, bien qu'il se rende à Liverpool pour les célébrations de son quatre-vingtième anniversaire. Athée de toujours, il a maintenu sa vision laïque du monde tout au long de ses dernières années. Il est décédé paisiblement dans son sommeil le 24 juillet 1974 à Cambridge, à l'âge de 82 ans.
Reconnaissance
Abonnements
Récompenses
Honneurs chevaleresques
Commémoration
- Les documents d'archives de Chadwick sont conservés au Churchill Archives Centre à Cambridge et sont accessibles au public.
- Le laboratoire Chadwick est situé à l'université de Liverpool.
- La Chaire Sir James Chadwick de physique expérimentale, également à l'Université de Liverpool, a été créée en 1991 dans le cadre des célébrations marquant le centenaire de sa naissance.
- Le bâtiment James Chadwick de l'Université de Manchester abrite des parties de l'École de génie chimique et des sciences analytiques, ainsi que le pôle industriel pour l'ingénierie durable.
- Lorna Arnold, historienne officielle de l'Autorité de l'énergie atomique du Royaume-Uni, a qualifié Chadwick de "physicien, scientifique-diplomate et d'homme bon, sage et humain".
- Le cratère Chadwick est situé sur la Lune.
Remarques
Références
- "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. : 80e anniversaire." Physique contemporaine, 13 (3) : 310, 1972. Bibcode:1972ConPh..13..310.. doi:10.1080/00107517208205684.Rutherford, Ernest ; Chadwick, James ; Ellis, Charles D. (2010). Radiation provenant de substances radioactives (Réimpression de la 2e éd.). La Presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-1-108-00901-0.Transcription d'un entretien d'histoire orale avec James Chadwick réalisé le 15 avril 1969, archivé à l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives (Séance I).
- Transcription de l'entretien d'histoire orale avec James Chadwick le 15 avril 1969, American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives – Séance I
- Transcription d'un entretien d'histoire orale avec James Chadwick réalisé le 16 avril 1969, archivé à l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives (Session II).
- Transcription d'un entretien d'histoire orale avec James Chadwick réalisé le 17 avril 1969, archivé à l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives (Séance III).
- Transcription d'un entretien d'histoire orale avec James Chadwick réalisé le 20 avril 1969, archivé à l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archives (Séance IV).
- James Chadwick sur Nobelprize.org