Sir James Chadwick (20 ottobre 1891 – 24 luglio 1974), un illustre fisico sperimentale britannico, ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1935 per la sua scoperta rivoluzionaria del neutrone. I suoi contributi significativi si estesero al Rapporto MAUD, di cui scrisse la bozza finale nel 1941, un documento determinante nel spingere il governo degli Stati Uniti ad avviare una sostanziale ricerca sulla bomba atomica. Durante la seconda guerra mondiale, Chadwick guidò il contingente britannico coinvolto nel Progetto Manhattan. In riconoscimento dei suoi profondi risultati nel campo della fisica nucleare, nel 1945 ricevette il titolo di cavaliere in Gran Bretagna.
Sir James Chadwick (20 ottobre 1891 – 24 luglio 1974) è stato un fisico sperimentale britannico che ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1935 per la sua scoperta del neutrone. Nel 1941 scrisse la bozza finale del Rapporto MAUD, che ispirò il governo degli Stati Uniti ad avviare seri sforzi di ricerca sulla bomba atomica. Era il capo della squadra britannica che lavorò al Progetto Manhattan durante la seconda guerra mondiale. Fu nominato cavaliere in Gran Bretagna nel 1945 per i suoi successi nella fisica nucleare.
Chadwick completò i suoi studi universitari presso la Victoria University di Manchester nel 1911, dove ebbe come mentore Ernest Rutherford, ampiamente riconosciuto come il "padre della fisica nucleare". Continuò il suo lavoro post-laurea sotto la guida di Rutherford a Manchester, conseguendo il Master in Scienze nel 1913. Nello stesso anno, Chadwick ottenne una borsa di ricerca del 1851 dalla Commissione reale per l'Esposizione del 1851, scegliendo di perseguire la ricerca sulle radiazioni beta con Hans Geiger a Berlino. Utilizzando l'innovativo contatore Geiger di Geiger, Chadwick dimostrò in modo conclusivo che la radiazione beta presenta uno spettro continuo, sfidando la convinzione prevalente che producesse linee discrete. La sua permanenza in Germania fu interrotta dallo scoppio della prima guerra mondiale, che lo portò al suo internamento per quattro anni nel campo di Ruhleben.
Dopo la prima guerra mondiale, Chadwick si unì a Rutherford presso il Cavendish Laboratory, Università di Cambridge, dove ottenne il dottorato in filosofia nel giugno 1921, sotto la supervisione di Rutherford attraverso il Gonville and Caius College. Per più di dieci anni, ha servito come assistente direttore della ricerca di Rutherford presso il Cavendish Laboratory, allora un importante centro globale per la ricerca fisica, attirando studenti illustri come John Cockcroft, Norman Feather e Mark Oliphant. Successivamente alla scoperta dei neutroni, Chadwick procedette a misurarne la massa, prevedendone il potenziale come strumento significativo nel trattamento del cancro. Nel 1935, Chadwick lasciò il Cavendish Laboratory per assumere una cattedra di fisica presso l'Università di Liverpool, dove modernizzò un laboratorio obsoleto e lo rese un centro cruciale per gli studi di fisica nucleare installando un ciclotrone.
Primi anni di vita e istruzione
James Chadwick nacque nel Cheshire, in Inghilterra, il 20 ottobre 1891, il figlio maggiore di John Joseph Chadwick, un filatore di cotone, e Anne Mary Knowles, una domestica. Ha ricevuto il suo nome, James, in onore del nonno paterno. Nel 1895, i suoi genitori si trasferirono a Manchester, affidando le sue cure ai nonni materni. Chadwick ha frequentato la Bollington Cross Primary School e successivamente ha ricevuto un'offerta di borsa di studio per la Manchester Grammar School; tuttavia, la sua famiglia ha rifiutato a causa dell'incapacità di coprire le restanti modeste spese. Di conseguenza, si iscrisse alla Central Grammar School for Boys di Manchester, dove si riunì ai suoi genitori. A quel tempo aveva due fratelli minori, Harry e Hubert; una sorella maggiore era morta durante l'infanzia. All'età di 16 anni, Chadwick ha gareggiato con successo per due borse di studio universitarie, ottenendole entrambe.
Nel 1908, Chadwick si iscrisse alla Victoria University di Manchester, con l'intenzione di dedicarsi alla matematica ma iscrivendosi inavvertitamente a fisica. Coerentemente con molti studenti della sua epoca, risiedeva a casa, percorrendo quotidianamente 4 miglia (6,4 km) da e per l'università. Dopo il suo anno inaugurale, gli è stata concessa una borsa di studio Heginbottom per studi di fisica. Il dipartimento di fisica, sotto la guida di Ernest Rutherford, assegnò progetti di ricerca agli studenti dell'ultimo anno. Rutherford incaricò Chadwick di sviluppare un metodo per confrontare la produzione di energia radioattiva di due fonti distinte. Il concetto proposto prevedeva la quantificazione di queste fonti in base all'attività di 1 grammo (0,035 once) di radio, un'unità successivamente designata come curie. Nonostante fosse consapevole dell'impraticabilità del suggerimento iniziale di Rutherford - una preoccupazione che esitava a esprimere - Chadwick perseverò e alla fine formulò la metodologia richiesta. Questi risultati costituirono la pubblicazione inaugurale di Chadwick, scritta in collaborazione con Rutherford, apparsa nel 1912. Completò la sua laurea con lode nel 1911.
Dopo aver sviluppato un metodo per misurare la radiazione gamma, Chadwick ha proceduto a quantificarne l'assorbimento da parte di vari gas e liquidi. La pubblicazione risultante è stata pubblicata esclusivamente sotto il suo nome. Nel 1912 gli fu conferito il M.Sc. e nominato Beyer Fellow. L'anno successivo ricevette una borsa di studio per l'esposizione del 1851, che facilitò il suo proseguimento di studi e ricerche presso un'università dell'Europa continentale. Nel 1913, scelse di unirsi al Physikalisch-Technische Reichsanstalt di Berlino per indagare sulle radiazioni beta sotto Hans Geiger. Utilizzando il contatore Geiger recentemente inventato da Geiger, che offriva una precisione superiore rispetto alle precedenti tecniche fotografiche, Chadwick dimostrò che la radiazione beta non mostrava linee discrete, come precedentemente teorizzato, ma piuttosto uno spettro continuo caratterizzato da picchi in regioni specifiche. Durante un periodo di " Lo spettro continuo rimase un fenomeno irrisolto per molti anni.
Chadwick era ancora in Germania quando scoppiò la prima guerra mondiale, che lo portò al internamento nel campo di Ruhleben, vicino a Berlino. Lì gli fu permesso di allestire un laboratorio nelle stalle e di condurre esperimenti scientifici utilizzando materiali improvvisati, compreso il dentifricio radioattivo. Collaborando con Charles Drummond Ellis, indagò sulla ionizzazione del fosforo e sulla reazione fotochimica tra monossido di carbonio e Dopo l'armistizio con la Germania nel novembre 1918, fu rilasciato e tornò alla residenza dei suoi genitori a Manchester, dove compilò i risultati delle sue ricerche dei quattro anni precedenti per i commissari dell'Esposizione del 1851.
Rutherford offrì a Chadwick un posto di insegnante part-time a Manchester, permettendogli di continuare i suoi sforzi di ricerca. Indagò sulla carica nucleare di platino, argento e rame, determinando sperimentalmente che corrispondeva al numero atomico con un margine di errore inferiore a. Nell'aprile 1919, Rutherford assunse la direzione del Laboratorio Cavendish presso l'Università di Cambridge, e Chadwick lo raggiunse pochi mesi dopo. Chadwick ottenne una borsa di studio Clerk Maxwell nel 1920 e successivamente si iscrisse come candidato al dottorato al Gonville and Caius College di Cambridge 1921 e divenne membro del Gonville and Caius College nel novembre dello stesso anno.
Carriera e ricerca
Cambridge
La borsa di studio Clerk Maxwell di Chadwick si concluse nel 1923 e gli successe il fisico russo Pyotr Kapitza. Sir William McCormick, presidente del consiglio consultivo del Dipartimento di ricerca scientifica e industriale, fece in modo che Chadwick diventasse assistente del direttore della ricerca di Rutherford. In questa veste, Chadwick ha assistito Rutherford nella selezione del dottorato. studenti, un gruppo che negli anni successivi includeva John Cockcroft, Norman Feather e Mark Oliphant, i quali svilupparono tutti stretti rapporti di amicizia con Chadwick. Dato che molti studenti non avevano interessi di ricerca definiti, Rutherford e Chadwick spesso proponevano argomenti adatti. Chadwick era anche responsabile della revisione di tutti gli articoli scientifici prodotti dal laboratorio.
Nel 1925, Chadwick incontrò Aileen Stewart-Brown, la figlia di un agente di cambio di Liverpool. Si sposarono nell'agosto del 1925, con Kapitza che fungeva da testimone. La coppia diede alla luce due gemelle, Joanna e Judith, nel febbraio 1927.
Nelle sue ricerche in corso, Chadwick continuò a indagare sul nucleo atomico. Nel 1925, il concetto di spin aveva fornito una spiegazione per l’effetto Zeeman, ma allo stesso tempo introduceva anomalie irrisolte. A quel tempo, la teoria prevalente postulava che il nucleo comprendesse protoni ed elettroni; per esempio, si presumeva che un nucleo di azoto con un numero di massa pari a 14 contenesse 14 protoni e 7 elettroni. Sebbene questo modello tenesse conto correttamente della massa e della carica del nucleo, non riuscì a conciliare lo spin osservato.
Durante una conferenza del 1928 a Cambridge incentrata sulle particelle beta e sui raggi gamma, Chadwick si ricollegò a Geiger. Geiger ha presentato una versione migliorata del suo contatore Geiger, perfezionato dal suo allievo Walther Müller. Non avendo utilizzato un dispositivo del genere dai tempi della guerra, Chadwick riconobbe il potenziale del contatore Geiger-Müller come un progresso significativo rispetto ai metodi di scintillazione prevalenti a Cambridge, che richiedevano l'osservazione visiva umana. Il suo limite principale, tuttavia, era la rilevazione delle radiazioni alfa, beta e gamma; di conseguenza, il radio, abitualmente impiegato negli esperimenti del Cavendish Laboratory ed emettente tutti e tre i tipi, si dimostrò inadatto agli specifici obiettivi di ricerca di Chadwick. Tuttavia, il polonio, essendo un esclusivo emettitore alfa, offriva una valida alternativa e Lise Meitner successivamente ne inviò circa 2 millicurie (equivalenti a circa 0,5 μg) a Chadwick dalla Germania.
Liverpool
L'avvento della Grande Depressione nel Regno Unito ha portato a un maggiore conservatorismo fiscale da parte del governo per quanto riguarda i finanziamenti scientifici. Allo stesso tempo, l'innovativo ciclotrone di Ernest Lawrence presentò una prospettiva rivoluzionaria per la fisica nucleare sperimentale, suscitando la preoccupazione di Chadwick che il Laboratorio Cavendish sarebbe diventato tecnologicamente obsoleto senza l'acquisizione di uno strumento del genere. Di conseguenza, Chadwick provò frustrazione nei confronti di Rutherford, che manteneva la convinzione che una significativa ricerca di fisica nucleare potesse procedere senza apparecchiature sostanziali e costose, e quindi rifiutò la proposta di un ciclotrone.
Chadwick fu un notevole critico della "Big Science" in generale, e in particolare di Lawrence, la cui metodologia percepiva come imprecisa ed eccessivamente dipendente dalla tecnologia a scapito dell'indagine scientifica fondamentale. Alla Conferenza Solvay del 1933, quando Lawrence ipotizzò l'esistenza di una nuova particella sconosciuta in precedenza come potenziale fonte di energia infinita, Chadwick ribatté che i fenomeni osservati erano più plausibilmente spiegati dalla contaminazione delle apparecchiature. Lawrence successivamente rivalutò le sue scoperte a Berkeley, confermando la valutazione di Chadwick, mentre Rutherford e Oliphant contemporaneamente condussero un'indagine presso il Laboratorio Cavendish, che rivelò che la fusione del deuterio in elio-3 era responsabile dell'effetto che Lawrence aveva inizialmente osservato. Ciò rappresentò un altro significativo passo avanti scientifico, anche se ottenuto utilizzando l'acceleratore di particelle Oliphant-Rutherford, uno strumento costoso e avanzato.
Nel marzo 1935, Chadwick ottenne un'offerta per la cattedra di fisica Lyon Jones presso l'Università di Liverpool, situata nella città natale di sua moglie, come successore di Lionel Wilberforce. Nonostante lo stato antiquato del laboratorio, che funzionava esclusivamente con elettricità a corrente continua, Chadwick accettò l'incarico, iniziando il suo mandato il 1° ottobre 1935. La posizione accademica dell'università fu successivamente rafforzata dall'annuncio del Premio Nobel di Chadwick nel novembre 1935. La sua medaglia Nobel fu successivamente messa all'asta nel 2014, per un valore di 329.000 dollari.
Chadwick ha avviato le iniziative per procurarsi un ciclotrone per l'Università di Liverpool. Il suo primo passo prevedeva lo stanziamento di 700 sterline per la ristrutturazione dei laboratori obsoleti di Liverpool, consentendo la fabbricazione interna di alcuni componenti. Ha ottenuto con successo £ 2.000 dall'università e un'ulteriore sovvenzione di £ 2.000 dalla Royal Society. Per la costruzione del ciclotrone, Chadwick reclutò due giovani specialisti, Bernard Kinsey e Harold Walke, entrambi i quali avevano avuto precedenti esperienze con Lawrence presso l'Università della California. Un produttore di cavi locale ha fornito il conduttore in rame necessario per le bobine. La Metropolitan-Vickers, con sede a Trafford Park, fabbricò il magnete da 50 tonnellate del ciclotrone e produsse anche la sua camera a vuoto. Nel luglio 1939 il ciclotrone era completamente installato e operativo. Il costo complessivo, pari a £ 5.184, ha superato i contributi combinati dell'università e della Royal Society; di conseguenza, Chadwick coprì personalmente il saldo rimanente utilizzando i fondi del premio Nobel di 159.917 corone (£ 8.243).
All'Università di Liverpool, le facoltà di Medicina e Scienze mantenevano uno stretto rapporto di collaborazione. Chadwick mantenne automaticamente l'appartenenza al comitato in entrambe le facoltà e nel 1938 fu nominato membro di una commissione, presieduta da Lord Derby, incaricata di esaminare le disposizioni sul trattamento del cancro a Liverpool. Chadwick immaginava che i neutroni e gli isotopi radioattivi generati dal ciclotrone da 37 pollici potessero essere determinanti nella ricerca biochimica e potenzialmente servire come strumento terapeutico in oncologia.
Scoperta del neutrone
In Germania, Walther Bothe e il suo studente, Herbert Becker, impiegarono il polonio per bombardare il berillio con particelle alfa, generando una forma anomala di radiazione. James Chadwick successivamente incaricò il suo studioso australiano dell'Esposizione del 1851, Hugh Webster, di replicare questi risultati. Chadwick interpretò queste osservazioni come una conferma di un'ipotesi di vecchia data che condivideva con Ernest Rutherford: l'esistenza del neutrone, una particella nucleare teorica priva di carica elettrica. Successivamente, nel gennaio 1932, Norman Feather avvertì Chadwick di un altro risultato inaspettato. Frédéric e Irène Joliot-Curie erano riusciti a rimuovere i protoni dalla cera di paraffina, utilizzando il polonio e il berillio come fonte di quelle che presumevano fossero radiazioni gamma. Rutherford e Chadwick contestarono questa interpretazione, sostenendo che i protoni fossero eccessivamente massicci per una tale interazione con i raggi gamma. Al contrario, i neutroni richiederebbero solo un’energia minima per ottenere lo stesso effetto. Contemporaneamente, a Roma, Ettore Majorana arrivò autonomamente alla stessa conclusione: i Joliot-Curie avevano inavvertitamente scoperto il neutrone senza riconoscerne la vera natura.
Chadwick sospese tutti gli altri impegni per concentrarsi sulla dimostrazione dell'esistenza del neutrone, ricevendo assistenza da Feather e spesso lavorando fino a tarda notte. Ha progettato una semplice configurazione sperimentale comprendente un cilindro che ospita una sorgente di polonio e un bersaglio di berillio. La radiazione emessa veniva quindi diretta verso un materiale come la cera di paraffina. Le particelle espulse, identificate come protoni, entravano successivamente in una piccola camera di ionizzazione dove erano rilevabili tramite un oscilloscopio. Nel febbraio 1932, dopo circa due settimane di sperimentazione sui neutroni, Chadwick inviò una lettera a Nature, intitolata "Possibile esistenza di un neutrone". Successivamente descrisse dettagliatamente le sue scoperte in un articolo inviato a Proceedings of the Royal Society A a maggio, intitolato "L'esistenza di un neutrone". La sua identificazione del neutrone rappresentò un progresso fondamentale nella comprensione della fisica nucleare. Dopo aver esaminato la pubblicazione di Chadwick, Robert Bacher e Edward Condon riconobbero che le incoerenze teoriche esistenti, come lo spin nucleare dell'azoto, potrebbero essere risolte se il neutrone possedesse uno spin di 1/2 e se un nucleo di azoto comprendesse sette protoni e sette neutroni.
I fisici teorici Niels Bohr e Werner Heisenberg hanno studiato se il neutrone costituisse una particella nucleare fondamentale, simile al protone e all'elettrone, piuttosto che un composto protone-elettrone. Heisenberg dimostrò che il neutrone era caratterizzato nel modo più accurato come una nuova particella nucleare, sebbene le sue caratteristiche precise rimanessero indefinite. Durante la sua Bakerian Lecture del 1933, Chadwick calcolò che la massa del neutrone fosse circa 1,0067 Da. Dato che un protone e un elettrone possedevano collettivamente una massa di 1,0078 u, ciò suggeriva che un neutrone, se considerato un composto protone-elettrone, avrebbe un'energia di legame di circa 92 MeV. Anche se questo valore appariva plausibile, la stabilità di una particella con un’energia di legame così minima rappresentava una sfida concettuale. Tuttavia, la determinazione di una differenza di massa così piccola richiedeva misurazioni eccezionalmente precise, che portarono a diversi risultati contraddittori tra il 1933 e il 1934. Ad esempio, Frédéric e Irène Joliot-Curie riportarono un valore sostanziale della massa dei neutroni attraverso il bombardamento di boro con particelle alfa, mentre il gruppo di Ernest Lawrence presso l'Università della California ottenne un valore inferiore. Successivamente, Maurice Goldhaber, un rifugiato dalla Germania nazista e studente laureato presso il Laboratorio Cavendish, propose a Chadwick che i deuteroni potessero subire fotodisintegrazione se esposti ai raggi gamma da 2,6 MeV emessi da 208Tl (allora identificato come torio C").
- Questo particolare processo offriva un metodo per determinare con precisione la massa del neutrone. Chadwick e Goldhaber hanno implementato questo approccio e ne hanno confermato l'efficacia. Hanno misurato l'energia cinetica del protone risultante a 1,05 MeV, isolando così la massa del neutrone come unica variabile sconosciuta nel loro calcolo. Chadwick e Goldhaber calcolarono che la massa del neutrone fosse 1,0084 o 1,0090 unità atomiche, a seconda dei valori di massa specifici impiegati per il protone e il deuterone. (Il valore di massa attualmente accettato per il neutrone è 1,00866 Da.) La massa determinata del neutrone era troppo sostanziale per essere coerente con la composizione di una coppia protone-elettrone.
Da questo processo è possibile determinare un valore accurato per la massa del neutrone. Chadwick e Goldhaber lo hanno provato e hanno scoperto che funzionava. Misurarono l'energia cinetica del protone prodotto come 1,05 MeV, lasciando la massa del neutrone come incognita nell'equazione. Chadwick e Goldhaber calcolarono che fosse 1,0084 o 1,0090 unità atomiche, a seconda dei valori usati per le masse del protone e del deuterone. (Il valore moderno accettato per la massa del neutrone è 1,00866 Da.) La massa del neutrone era troppo grande per essere una coppia protone-elettrone.
Chadwick ha ricevuto numerosi riconoscimenti per la sua scoperta del neutrone, tra cui la medaglia Hughes nel 1932, il premio Nobel per la fisica nel 1935, la medaglia Copley nel 1950 e la medaglia Franklin nel 1951. Questa scoperta fondamentale ha consentito la sintesi in laboratorio di elementi transuranici attraverso la cattura di neutroni lenti seguita dal decadimento beta. A differenza delle particelle alfa caricate positivamente, che subiscono la repulsione da parte delle forze elettriche all'interno dei nuclei atomici, i neutroni non sono soggetti alla barriera di Coulomb. Di conseguenza, possono facilmente penetrare e integrarsi nei nuclei anche degli elementi più pesanti, come l'uranio. Questa caratteristica spinse Enrico Fermi a esplorare le reazioni nucleari indotte da collisioni lente di neutroni, un'impresa che gli valse il Premio Nobel nel 1938.
Il 4 dicembre 1930, Wolfgang Pauli postulò l'esistenza di una nuova particella per chiarire lo spettro continuo della radiazione beta, un fenomeno che Chadwick aveva documentato nel 1914. L'apparente discrepanza nella conservazione dell'energia, dove non tutta l'energia della radiazione beta veniva presa in considerazione, portò Pauli a proporre che dovesse essere coinvolta un'ulteriore particella, allora sconosciuta. Pauli inizialmente si riferì a questa particella come a un neutrone, ma era distinta dalla scoperta di Chadwick. Fermi successivamente lo ribattezzò neutrino, derivato dall'italiano "piccolo neutrone". Nel 1934 Fermi avanzò la sua teoria del decadimento beta, postulando che gli elettroni emessi dal nucleo avessero origine dal decadimento di un neutrone in un protone, un elettrone e un neutrino. Sebbene il neutrino potesse spiegare l’energia mancante, la sua massa minima e la mancanza di carica elettrica ne rendevano difficile la rilevazione. Rudolf Peierls e Hans Bethe calcolarono che i neutrini potevano attraversare la Terra con facilità, suggerendo una bassa probabilità di osservazione. Tuttavia, Frederick Reines e Clyde Cowan confermarono sperimentalmente il neutrino il 14 giugno 1956, posizionando un rilevatore all'interno di un sostanziale flusso di antineutrino proveniente da un vicino reattore nucleare.
La Seconda Guerra Mondiale
Progetto Tube Alloys e rapporto MAUD
Durante la seconda guerra mondiale, Chadwick si impegnò nella ricerca per il progetto Tube Alloys, che mirava a sviluppare una bomba atomica, mentre il suo laboratorio di Manchester e i suoi dintorni subivano i bombardamenti aerei della Luftwaffe. In seguito all'accordo del Quebec, che integrava la sua iniziativa con il progetto americano Manhattan, Chadwick si unì alla missione britannica, intraprendendo lavori presso il laboratorio di Los Alamos e a Washington, DC. In particolare, ottenne la quasi completa fiducia del direttore del progetto Leslie R. Groves, Jr. In riconoscimento dei suoi contributi, Chadwick fu nominato cavaliere con l'onorificenza di Capodanno il 1 gennaio 1945. Nel luglio 1945, osservò il test nucleare del Trinity. Successivamente, ha ricoperto il ruolo di consulente scientifico britannico presso la Commissione per l'energia atomica delle Nazioni Unite. Esprimendo disagio per la crescente tendenza della "Big Science", tornò a Cambridge, assumendo il ruolo di Master del Gonville and Caius College nel 1948.
In Germania, Otto Hahn e Fritz Strassmann condussero esperimenti bombardando l'uranio con neutroni, osservando la produzione di bario, un elemento più leggero, tra i prodotti della reazione. In precedenza, tali processi avevano prodotto solo elementi di massa atomica uguale o maggiore. Nel gennaio 1939, Lise Meitner e suo nipote Otto Frisch pubblicarono un articolo fondamentale che delucidava questo risultato inaspettato, affascinando la comunità dei fisici. Ipotizzarono che gli atomi di uranio, quando sottoposti a bombardamento di neutroni, potessero dividersi in due frammenti approssimativamente uguali, un processo che chiamarono fissione nucleare. I loro calcoli indicavano un rilascio di energia di circa 200 MeV, il che significa una produzione di energia di ordini di grandezza superiore a quella delle reazioni chimiche, una teoria che Frisch successivamente convalidò sperimentalmente. Hahn capì presto che se i neutroni fossero stati liberati durante la fissione, si sarebbe potuta avviare una reazione nucleare a catena. Gli scienziati francesi Pierre Joliot, Hans von Halban e Lew Kowarski confermarono successivamente che in effetti veniva emesso più di un neutrone per evento di fissione. In un articolo realizzato in collaborazione con il fisico americano John Wheeler, Niels Bohr teorizzò che la fissione fosse più probabile nell'isotopo dell'uranio-235, che costituisce solo lo 0,7% dell'uranio presente in natura.
Chadwick, non credendo alla prospettiva di un'altra guerra con la Germania nel 1939, aveva portato la sua famiglia in vacanza in un lago appartato nel nord della Svezia. Di conseguenza, la dichiarazione della Seconda Guerra Mondiale fu uno shock profondo. Deciso a evitare l'internamento, Chadwick si recò rapidamente a Stoccolma con la sua famiglia, solo per scoprire che tutti i voli tra Stoccolma e Londra erano sospesi. Il loro viaggio di ritorno in Inghilterra fu effettuato a bordo di un piroscafo. All'arrivo a Liverpool, Chadwick incontrò Joseph Rotblat, un ricercatore post-dottorato polacco che aveva intenzione di collaborare al progetto del ciclotrone ma che ora era senza sostegno finanziario a causa dei fondi tagliati dalla Polonia. Chadwick nominò immediatamente Rotblat come docente, nonostante la sua limitata conoscenza dell'inglese.
Nell'ottobre 1939, Edward Appleton, segretario del Dipartimento di ricerca scientifica e industriale, sollecitò la valutazione di Chadwick riguardo alla fattibilità di una bomba atomica. La risposta di Chadwick fu cauta; pur non respingendo il concetto, ha dettagliato meticolosamente le numerose sfide teoriche e pratiche. Successivamente, Chadwick ha scelto di approfondire le caratteristiche dell'ossido di uranio con Rotblat. Nel marzo 1940, Otto Frisch e Rudolf Peierls dell'Università di Birmingham rivisitarono queste considerazioni teoriche in un documento più tardi denominato memorandum Frisch-Peierls. La loro analisi è passata dall'ossido di uranio non arricchito a una sfera di puro uranio-235, rivelando che una reazione a catena non solo era possibile ma poteva essere avviata con appena 1 chilogrammo (2,2 libbre) di uranio-235, rilasciando energia equivalente a tonnellate di dinamite.
Per esaminare ulteriormente la questione, è stato istituito un sottocomitato specializzato del Comitato per l'indagine scientifica sulla guerra aerea (CSSAW), denominato Comitato MAUD. Presieduto da George Paget Thomson, i suoi membri iniziali includevano Chadwick, Mark Oliphant, John Cockcroft e Philip Moon. Mentre altri gruppi esploravano metodologie di arricchimento dell'uranio, il team di Chadwick a Liverpool si concentrò sull'accertamento della sezione trasversale nucleare dell'uranio-235. Nell'aprile 1941, i dati sperimentali confermarono che la massa critica dell'uranio-235 poteva essere di 8 chilogrammi (18 libbre) o meno. Questa ricerca fu notevolmente ostacolata dai persistenti bombardamenti aerei della Luftwaffe vicino al suo laboratorio di Liverpool, che spesso mandavano in frantumi le finestre, rendendone necessaria la sostituzione con cartone.
Nel luglio 1941, Chadwick fu incaricato di redigere la versione conclusiva del Rapporto MAUD. Questo documento, presentato da Vannevar Bush al presidente Franklin D. Roosevelt nell'ottobre 1941, spinse il governo degli Stati Uniti a stanziare ingenti fondi per lo sviluppo della bomba atomica. Durante un incontro con Pegram e Harold Urey per valutare i progressi del progetto, allora noto come Tube Alloys, Chadwick espresse la sua convinzione, affermando: "Vorrei potervi dire che la bomba non funzionerà, ma sono sicuro al 90% che funzionerà". La sua profonda ansia, che gli disturbava il sonno, portò Chadwick a fare affidamento sui sonniferi per la maggior parte della sua vita successiva. Chadwick in seguito espresse la sua consapevolezza che "una bomba nucleare non solo era possibile, ma era inevitabile. Prima o poi queste idee non sarebbero potute essere peculiari per noi. Tutti ci avrebbero pensato in breve tempo, e qualche paese le avrebbe messe in atto". Sir Hermann Bondi ipotizzò che fosse stato un caso fortuito che Chadwick, piuttosto che Rutherford, deteneva la posizione preminente nella fisica britannica durante quell'epoca, poiché la reputazione consolidata di Rutherford avrebbe altrimenti potuto oscurare l'impegno lungimirante di Chadwick con il potenziale della bomba.
Progetto Manhattan
A causa della minaccia di bombardamenti aerei, la famiglia Chadwick ha evacuato i suoi gemelli in Canada secondo un piano governativo. Allo stesso tempo, Chadwick ha espresso riserve sul trasferimento del progetto Tube Alloys in Canada, affermando l'idoneità del Regno Unito per un impianto di separazione isotopica. Nel 1942, l'enorme portata dell'impresa divenne evidente: si prevedeva che anche un impianto di separazione preliminare avrebbe superato il milione di sterline, mettendo a dura prova le risorse britanniche, mentre un impianto su vasta scala era stimato a circa 25 milioni di sterline. Di conseguenza, la costruzione in America divenne imperativa. Sebbene gli inglesi riconobbero la necessità di uno sforzo collaborativo, i rapidi progressi del Progetto Manhattan americano diminuirono la criticità percepita della cooperazione britannica, nonostante l'interesse americano a sfruttare l'esperienza di Chadwick.
La risoluzione del problema della cooperazione internazionale richiedeva un impegno diplomatico di alto livello. Nel settembre 1943, il primo ministro Winston Churchill e il presidente Roosevelt formalizzarono l’accordo del Quebec, che ristabilì gli sforzi di collaborazione tra Gran Bretagna, Stati Uniti e Canada. Successivamente, Sir Wallace Akers, direttore di Tube Alloys, convocò Chadwick, Oliphant, Peierls e Simon negli Stati Uniti per contribuire al Progetto Manhattan. L'accordo del Quebec ha inoltre istituito un nuovo comitato di politica combinata per supervisionare l'iniziativa congiunta. Date le riserve americane su Akers, Chadwick fu designato come consulente tecnico di questo comitato e nominato capo della missione britannica.
Dopo aver affidato a Rotblat le responsabilità a Liverpool, Chadwick iniziò un tour completo delle installazioni del Progetto Manhattan nel novembre 1943. In particolare, gli fu negato l'accesso al sito di Hanford, dove veniva prodotto il plutonio. Questo privilegio unico lo rese l'unico individuo, a parte Groves e il suo vice, ad ottenere l'ingresso in tutte le strutture americane di ricerca e produzione dedicate alla bomba all'uranio. Dopo aver osservato la costruzione dell'impianto di diffusione gassosa K-25 a Oak Ridge, nel Tennessee, Chadwick riconobbe l'impraticabilità di costruire un impianto del genere nella Gran Bretagna in tempo di guerra, riconoscendo che le sue immense dimensioni avrebbero reso impossibile nasconderlo alla Luftwaffe. All'inizio del 1944 si trasferì a Los Alamos, nel Nuovo Messico, accompagnato da sua moglie e dai loro gemelli, che ormai avevano adottato l'accento canadese. Per i protocolli di sicurezza adottò lo pseudonimo James Chaffee.
Chadwick ha riconosciuto che l'assistenza americana non era strettamente necessaria, ma ne ha riconosciuto il potenziale per accelerare il completamento con successo del progetto. Collaborando strettamente con il Maggiore Generale Leslie R. Groves, Jr., il direttore del Progetto Manhattan, Chadwick si dedicò a sostenere l'iniziativa. Inoltre, cercò strategicamente di integrare gli scienziati britannici in varie componenti del progetto, con l’obiettivo di gettare le basi per un programma britannico di armi nucleari del dopoguerra, un impegno che sostenne fermamente. Le richieste di Groves, incanalate attraverso Chadwick, per scienziati specifici spesso incontravano una resistenza iniziale da parte delle rispettive aziende, ministeri o università, solo per essere sostituite dalla priorità assoluta assegnata al progetto Tube Alloys. Di conseguenza, il contingente britannico si rivelò indispensabile per il successo complessivo del progetto.
Nonostante possedesse una conoscenza senza pari del progetto tra il personale britannico, Chadwick non aveva costantemente accesso al sito di Hanford. Nel 1946, quando a Lord Portal fu esteso un invito a visitare Hanford - l'unica struttura dalla quale a Chadwick era stato escluso durante la guerra - Chadwick chiese il permesso a Groves di accompagnarlo. Groves acconsentì ma avvertì che l'accesso a Portal sarebbe stato notevolmente limitato se Chadwick fosse stato presente. Per i suoi contributi, Chadwick fu insignito del titolo di cavaliere nel New Year Honours il 1° gennaio 1945, un riconoscimento che interpretò come un riconoscimento collettivo dell'intero progetto Tube Alloys.
All'inizio del 1945, Chadwick risiedeva principalmente a Washington, D.C., mentre la sua famiglia si trasferì da Los Alamos a Dupont Circle nell'aprile di quell'anno. Partecipò alla riunione del Comitato per la politica combinata il 4 luglio, dove il feldmaresciallo Sir Henry Maitland Wilson confermò il consenso della Gran Bretagna all'uso della bomba atomica contro il Giappone. Chadwick era presente anche al test nucleare del Trinity il 16 luglio, assistendo alla detonazione della prima bomba atomica. Il dispositivo incorporava un iniziatore di neutroni modulato polonio-berillio, un progresso tecnologico derivante dal metodo che Chadwick aveva utilizzato per scoprire il neutrone oltre un decennio prima. William L. Laurence, un reporter del The New York Times assegnato al Progetto Manhattan, ha osservato che "mai prima nella storia nessun uomo era vissuto abbastanza da vedere la propria scoperta materializzarsi con un effetto così significativo sul destino dell'uomo."
Vita successiva
Dopo la conclusione della guerra, Chadwick fu nominato membro del Comitato consultivo sull'energia atomica (ACAE) e prestò servizio come consulente scientifico britannico presso la Commissione per l'energia atomica delle Nazioni Unite. Ha incontrato disaccordo con il collega membro dell'ACAE Patrick Blackett, che si opponeva alla convinzione di Chadwick che la Gran Bretagna avesse bisogno delle proprie armi nucleari; tuttavia, la prospettiva di Chadwick alla fine prevalse. Tornò in Gran Bretagna nel 1946, trovando una nazione ancora alle prese con il razionamento del tempo di guerra e la carenza di risorse.
In questo frangente, Sir James Mountford, vicerettore dell'Università di Liverpool, registrò nel suo diario di non aver mai incontrato un individuo "così fisicamente, mentalmente e spiritualmente stanco" come Chadwick, poiché egli "aveva scandagliato tali profondità di decisione morale che gli uomini più fortunati non sono mai chiamati nemmeno a scrutare ... [e sofferto] ... sofferenze quasi insopportabili di responsabilità derivanti dal suo lavoro scientifico'."
Nel settembre 1949, Edward Teller visitò l'Inghilterra per discutere di energia e sicurezza nucleare, cenando con Sir James Chadwick e sua moglie nella loro residenza di Cambridge. Mentre sua moglie era una conversatrice accattivante, Sir James rimase tipicamente riservato. Tuttavia, quando Teller fece un commento sfavorevole sul generale Groves, Chadwick divenne particolarmente esplicito, affermando che il progetto non avrebbe avuto successo senza Groves, nonostante riconoscesse l'antipatia di Groves nei confronti degli inglesi.
Nel 1948, Chadwick accettò la cattedra di Gonville and Caius College di Cambridge. Questa posizione era prestigiosa ma priva di chiara autorità, poiché il Maestro fungeva da capo titolare mentre il potere effettivo risiedeva in un consiglio di 13 membri, compreso il Maestro. In qualità di Maestro, Chadwick ha cercato di elevare la posizione accademica del college. Ha ampliato il numero degli assegni di ricerca da 31 a 49 e ha cercato attivamente di attrarre nuovi talenti. Ciò comportò decisioni controverse, come le nomine del 1951 del biochimico cinese Tien-chin Tsao e dell’economista di origine ungherese Peter Bauer. In un evento soprannominato "Rivolta dei contadini", i compagni guidati da Patrick Hadley votarono fuori dal consiglio un vecchio amico di Chadwick, sostituendolo con Bauer. Ulteriori alleati di Chadwick furono rimossi negli anni successivi, portandolo al suo ritiro nel novembre 1958. In particolare, durante il suo incarico, Francis Crick, un Ph.D. studente al Gonville and Caius College, insieme a Rosalind Franklin e James Watson, delucidarono la struttura del DNA.
Negli anni '70, la salute di Chadwick peggiorò e raramente lasciava il suo appartamento, anche se si recava a Liverpool per i festeggiamenti del suo ottantesimo compleanno. Ateo per tutta la vita, mantenne la sua visione del mondo secolare durante i suoi ultimi anni. Morì serenamente nel sonno il 24 luglio 1974 a Cambridge, all'età di 82 anni.
Riconoscimento
Abbonamenti
Premi
Onori cavallereschi
Commemorazione
- I documenti d'archivio di Chadwick sono conservati presso il Churchill Archives Centre di Cambridge e sono accessibili al pubblico.
- Il Laboratorio Chadwick si trova presso l'Università di Liverpool.
- La cattedra di fisica sperimentale Sir James Chadwick, sempre presso l'Università di Liverpool, è stata istituita nel 1991 nell'ambito delle celebrazioni del centenario della sua nascita.
- L'edificio James Chadwick dell'Università di Manchester ospita parti della Scuola di ingegneria chimica e scienze analitiche, nonché l'Hub industriale per l'ingegneria sostenibile.
- Lorna Arnold, storica ufficiale dell'Autorità per l'energia atomica del Regno Unito, ha definito Chadwick "un fisico, uno scienziato-diplomatico e un uomo buono, saggio e umano".
- Il cratere Chadwick si trova sulla Luna.
Note
Riferimenti
- "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° compleanno." Contemporary Physics, 13 (3): 310, 1972. Bibcode:1972ConPh..13..310.. doi:10.1080/00107517208205684.Rutherford, Ernesto; Chadwick, James; Ellis, Charles D. (2010). Radiazioni da sostanze radioattive (ristampa della 2a ed.). Stampa dell'Università di Cambridge. ISBN 978-1-108-00901-0Trascrizione di un'intervista di storia orale con James Chadwick condotta il 15 aprile 1969, archiviata presso l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archivi (Sessione I).
- Trascrizione dell'intervista di storia orale con James Chadwick del 15 aprile 1969, American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archivi – Sessione I
- Trascrizione di un'intervista di storia orale con James Chadwick condotta il 16 aprile 1969, archiviata presso l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archivi (Sessione II).
- Trascrizione di un'intervista di storia orale con James Chadwick condotta il 17 aprile 1969, archiviata presso l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archivi (Sessione III).
- Trascrizione di un'intervista di storia orale con James Chadwick condotta il 20 aprile 1969, archiviata presso l'American Institute of Physics, Niels Bohr Library & Archivi (Sessione IV).
- James Chadwick su Nobelprize.org