Джеймс Чедвик (; 20 октября 1891, Боллингтон, Чешир — 24 июля 1974, Кембридж) — английский , известный как первооткрыватель нейтрона и фотоядерной реакции, член Лондонского королевского общества (1927), лауреат Нобелевской премии по физике за 1935 год. Медаль Фарадея (1950).
Ученик Э. Резерфорда. Окончил Манчестерский и Кембриджский университеты.
Образование и ранние годы Джеймс Чедвик родился в Боллингтоне, графство Чешир, 20 октября 1891 года; он был первым ребёнком Джона Джозефа Чедвика, прядильщика хлопка, и Энн Мари Кновлс, домашней прислуги. Он был назван Джеймсом в честь дедушки по отцовской линии. В 1895 году его родители переехали в Манчестер и оставили его на попечение бабушки и дедушки по материнской линии, где он пошёл в начальную школу Боллингтон-Кросс. Затем ему была предложена стипендия Манчестерской Грамматический школы, но его семья была вынуждена отказаться, поскольку они не могли позволить себе те небольшие дополнительные сборы, которые всё же должны были быть выплачены; вместо этого, после переезда к родителям в 1902 году, он посещал Центральную грамматическую школу для мальчиков в Манчестере. К этому моменту у него было два младших брата, Гарри и Губерт, сестра умерла в младенчестве. В возрасте 16 лет Джеймс сдал два экзамена на университетские стипендии, и выиграл обе из них.
Для своего обучения Чедвик выбрал , в который он поступил в 1908 году. Он собирался заниматься математикой, но по ошибке был зачислен на физику. Также как и многие студенты, он жил дома и тратил много времени на дорогу до университета и обратно каждый день. В конце первого года обучения он был награждён стипендией «Heginbottom Scholarship» для изучения физики. Факультет физики возглавлял Резерфорд, который давал исследовательские проекты студентам последнего года обучения, и он предложил Чедвику разработать способы сравнения количеств энергии, исходящей от различных радиоактивных источников. Идея была в том, что они могли бы быть измерены в терминах активности радия, с помощью единицы измерения, сейчас известной как Ки (кюри). Предложенный Резерфордом подход оказался неработающим, Чедвик знал об этом, но боялся сказать Резерфорду, и в конечном счёте сам разработал требуемый метод. Результаты исследования стали первой статьёй Чедвика, которая в соавторстве с Резерфордом вышла в 1912 году. Он закончил первую ступень с отличием в 1911 году.
Имея разработанный способ измерения гамма-излучения, Чедвик продолжал изучать поглощение гамма-лучей различными газами и жидкостями. На этот раз работа была опубликована только под его именем. Он получил степень Магистра естественных наук в 1912 году и был избран Baeyer Fellow. В следующем году он получил трёхлетнюю исследовательскую стипендию , которая позволила ему учиться и заниматься исследовательской деятельностью в университетах континентальной Европы. Он выбрал технический институт в Берлине, чтобы изучать бета-излучение под руководством Ханса Гейгера. Используя недавно разработанный Гейгером счётчик Гейгера, который обеспечивал большую точность, чем более ранние техники, ему удалось продемонстрировать, что бета-излучение не производит дискретные линии, как считали ранее, но имеет непрерывный спектр с пиками в определённых местах. Во время визита в лабораторию Гейгера Альберт Эйнштейн сказал Чедвику: «Я могу объяснить обе эти вещи, но я не могу объяснить их одновременно». Непрерывный спектр оставался необъяснимым явлением ещё долгие годы.
Чедвик был всё ещё в Германии во время начала Первой мировой войны и был направлен в лагерь для интернированных в Рулебене рядом с Берлином, где было разрешено соорудить лабораторию в конюшне и проводить научные эксперименты с использованием подручных материалов, таких как радиоактивная зубная паста. Вместе с он работал над ионизацией фосфора и фотохимической реакцией между монооксидом углерода и хлором. После того как в ноябре 1918 года вступило в силу перемирие с Германией, он был освобождён, и вернулся к родителям в Манчестер, где написал о своей деятельности за предыдущие 4 года в рамках стипендии 1851 Exhibition commissioners.
Резерфорд дал Чедвику работу преподавателя с неполной занятостью, разрешив ему продолжить исследования. Он рассмотрел заряды ядер платины, серебра и меди и экспериментально обнаружил, что они совпадали с атомными номерами с ошибкой менее, чем в 1,5 %. В апреле 1919 года Резерфорд стал заведующим лаборатории Кавендиша в Кэмбриджском университете, и спустя несколько месяцев к нему присоединился Чедвик. Чедвик получил стипендию Клерка Максвелла в 1920 году и зарегистрировался, как студент на получение звания Доктора философии в Колледже Гонвилл-энд-Киз в Кэмбридже. Свою степень он получил в июне 1921 года. В ноябре он стал членом Колледжа Гонвилл-энд-Киз.
В 1925 году Чедвик встретил Айлин Стюарт-Браун (Aileen Stewart-Brown), дочь ливерпульского брокера. Они поженились в августе 1925 года, с Капицей в качестве шафера. У пары появились две дочери-близняшки, Джоанна (Joanna) и Джудит (Judith), в феврале 1927 года.
Исследования
Кэмбридж Стипендия Клерка-Максвелла, которую получил Чедвик, закончилась в 1923 году, и его сменил русский физик Пётр Капица. Председатель Консультативного Совета кафедры научно-производственных исследований Вильям Маккормик устроил так, что Чедвик получил должность Assistant Director в лаборатории Кавендиша и стал помощником Резерфорда по научным исследованиям. В этой роли Чедвик помогал Резерфорду отбирать студентов на докторскую степень. Через несколько лет он включил в список Джона Кокрофта, Нормана Фезера и Марка Олифанта, которых с Чедвиком связала крепкая дружба. Так же, как и многие студенты, они не имели понятия, что они хотят исследовать, поэтому Резерфорд и Чедвик предложили им темы. Чедвик редактировал все работы, написанные в лаборатории.
В своих исследованиях Чедвик продолжал изучать ядро атома. В 1925 году концепция спина позволила физикам обосновать Эффект Зеемана, но также создала много новых вопросов. Так, предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов; например, ядро азота с массовым номером 14 предполагалось состоящим из 14 протонов и 7 электронов. Это давало ядру правильный заряд и массу, но неправильный суммарный спин.
На кэмбриджской конференции о бета-частицах и гамма-лучах в 1929 году Чедвик снова встретил Гейгера. Гейгер привёз ему новую модель своего счётчика, усовершенствованную его студентом-постдоком Вальтером Мюллером. Чедвик не использовал прибор с начала войны, а новый счётчик Гейгера-Мюллера был потенциально главным улучшением после сцинтилляционной методики, используемой тогда в Кэмбридже, в которой для изучения использовалось зрение человека. Однако таким образом детектировалось одновременно альфа,- бета- и гамма-излучение, а радий, который обычно использовался в экспериментах в лаборатории Кавендиша, излучал все три типа излучения, и поэтому не подходил для задуманного Чедвиком эксперимента. Однако, полоний распадался только с альфа-излучением и Лиза Мейтнер отправила Чедвику 2 мКи (около 0,5 мкг) полония из Германии.
В Германии Вальтер Боте и его студент Герберт Бекер использовали полоний для бомбардирования бериллия альфа-частицами, получая нейтральное излучение с большой проникающей силой; они предположили что это было высокоэнергичное гамма-излучение. У Чедвика был стипендиат Australian 1851 Exhibition, учёный Хью Уэбстер, повторивший результаты Боте и Беккера. Для Чедвика это излучение было свидетельством того, что он вместе с Резерфордом предполагал долгие годы: существование нейтрона, гипотетической ядерной частицы, не имеющей электрического заряда. Тогда в январе 1932 года Фезер привлёк внимание Чедвика другим удивительным результатом. Фредерик Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри удалось выбить протоны из парафина, используя полоний и бериллий в качестве источника, как они считали, гамма-излучения. Резерфорд и Чедвик не согласились: протоны были слишком тяжёлыми для этого. В то же время нейтронам было необходимо лишь небольшое количество энергии для достижения этого эффекта. В Риме Этторе Майорана пришёл к тому же выводу: Жолио-Кюри открыли нейтрон, но не поняли этого . Чедвик бросил все свои обязанности, чтобы сконцентрироваться на доказательстве существования нейтрона. Ему ассистировал Фезер, и они часто работали ночью. Неизвестное излучение от бериллиевой мишени, облучаемой полонием, направлялось на материал типа парафина; выбитые из парафина протоны затем шли в маленькую ионизационную камеру, в которой регистрировались с помощью осциллографа; измеряя энергию протонов, можно было точно рассчитать энергию «бериллиевого» излучения.
В феврале 1932 года после нескольких недель экспериментов, Чедвик отправил письмо в журнал Nature, озаглавленное «Возможное существование нейтрона». В деталях он сообщил о своих выводах в статье, озаглавленной «Существование нейтрона», и отправленной в мае в журнал Proceedings of the Royal Society A. Его открытие нейтрона стало новым этапом в понимании строения ядра. Читая результаты Чедвика, Роберт Бэчер и Эдвард Кондон поняли, что аномалии в предыдущей теории, такие как спин атома азота, были бы решены, если бы спин нейтрона был равен , и тогда ядро атома азота должно было бы состоять из 7 протонов и 7 нейтронов.
Физики-теоретики Нильс Бор и Вернер Гейзенберг рассмотрели, может ли быть нейтрон фундаментальной ядерной частицей, как, например, протон и нейтрон, а не пара протон-электрон. Гейзенберг показал, что нейтрон очень хорошо укладывался в понятие новой ядерной частицы , но его точная природа оставалась неясной. В 1933 году, в своей лекции, Чедвик оценил массу нейтрона в 1,0067 а. е. м., в то время как протон и электрон имели суммарную массу, равную 1,0078 а. е. м.. Это подразумевало, что если бы нейтрон был электрон-протонным композитом, энергия связи должна была бы быть 2 МэВ, что звучало разумно, хотя было сложно понять, как частица с такой маленькой энергией связи может быть стабильной. Оценка такой маленькой разницы в массах требовала сложных и точных измерений, и в 1933—1934 году были получены несколько противоречивых результатов. Бомбардируя бор альфа-частицами, Фредерик Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри получили большое значение массы нейтрона, а команда Эрнеста Лоуренса в университете Калифорнии получила маленькое значение. Затем Морис Голдхабер, беженец из нацистской Германии и выпускник лаборатории Кавендиша, предложил Чедвику идею, что дейтерий может быть разложен под действием гамма-излучения с энергией 2 МэВ, порождаемого таллием-208 (ранее известным, как «торий C»). + y → + Аккуратное измерение массы нейтрона могло бы быть определено из этого процесса. Чедвик и Голдхабер попробовали и поняли, что такой способ работает. Они измерили кинетическую энергию протона, которая оказалась равна 1,05 МэВ, оставив массу нейтрона неизвестным в уравнении. Чедвик и Голдхабер рассчитали, что значение массы нейтрона находилось между 1,0084 и 1,0090 атомных единиц, в зависимости от значений используемых для массы протона и атома дейтерия. (Современное принятое значение массы нейтрона составляет 1,00866(6) а. е. м.). Масса нейтрона оказалась слишком большой для того, чтобы он был электрон-протонной парой .
За открытие нейтрона Чедвик был награждён медалью Хьюза от Королевского общества в 1932 году, Нобелевской премией по физике в 1935 году, медалью Копли в 1950 году и медалью Франклина в 1951 году. Открытие нейтрона сделало возможным получение элементов тяжелее урана в лаборатории с помощью захвата медленных нейтронов и последующего бета-распада. В отличие от положительно заряженных альфа-частиц, которые отталкиваются от ядер других атомов из-за электрических сил в них, нейтронам не требуется преодоление кулоновского барьера и они могут поэтому проникать и включаться в ядра даже более тяжёлых элементов, чем уран. Это вдохновило Энрико Ферми изучать ядерные реакции, вызванные столкновениями ядер с медленными нейтронами, работа, за которую Ферми получит Нобелевскую премию в 1938 году.