Нобелови лауреати – Джеймс Чадуик

Джеймс Чадуик (James Chadwick),

20 октомври 1891 г. – 24 юли 1974 г.

Нобелова награда за физика, 1935 г.

(За откриването на неутрона.)

Английският физик Джеймс Чадуик е роден в град Болингтън, близо до Манчестър. Тай е най-голямото от четирите деца на Джон Джоузеф Чадуик, собственик на перачница, и Ан Мери (Ноулс) Чадуик. Като завършва местното училище, Чадуик постъпва в манчестърското общинско средно училище, където се отличава с успехи по математика. През 1908 г. се записва в Манчестърския университет, като има намерение да учи математика, но поради объркване провеждат с него събеседване по физика. Прекалено скромен, за да посочи грешката, той изслушва внимателно въпросите, които му задават, и решава да смени специалността. След три години завършва университета с отличен успех по физика.

През 1911 г. Чадуик започва аспирантска работа под ръководството на Ърнест Ръдърфорд във физическата лаборатория в Манчестър. Именно по това време експериментите, свързани с разсейването на алфа-частиците (които се разглеждат като заредени хелиеви атоми), пропуснати през тънко металическо фолио, довеждат Ръдърфорд до предположението, че цялата маса на атома е концентрирана в плътното положително заредено ядро, заобиколено от отрицателно заредени електрони, които, както е известно, притежават относително малка маса. Чадуик е удостоен със степента магистър през 1913 г. и още тогава, като получава стипендия, заминава за Германия, за да изучава радиоактивността под ръководството на Ханс Гайгер (бивш асистент на Ръдърфорд) в Държавния физико-технически институт в Берлин. Когато през 1914 г. започва Първата световна война, Чадуик е интерниран като английски гражданин и повече от четири години прекарва в лагер за цивилни лица в Рулебен. Макар че страда от суровите условия, които подкопават здравето му, Чадуик участва в научното дружество, създадено от негови другари по нещастие. Дейността на групата получава подкрепа от някои немски учени, включително от Валтер Вернст, с когото Чадуик се запознава, докато е интерниран.

Чадуик се връща в Манчестър през 1919 г. Малко преди това Ръдърфорд е открил, че бомбардировката с алфа-частици (които вече се разглеждат като хелиеви ядра) може да предизвиква разпадане на азотния атом на по-леки ядра на други елементи. Няколко месеца по-късно Ръдърфорд е избран за директор на лабораторията "Кавендиш" към Кеймбриджкия университет и предлага на Чадуик да замине заедно с него. Чадуик получава стипендията "Уоластън" на Гонвил анд Кийс колидж, Кеймбридж, и има възможност да работи с Ръдърфорд, продължавайки експериментите с алфа-частици. Двамата изясняват, че при бомбардировка на едрата вероятно се получават ядра на водорода, най-лекия от елементите. Ядрото на водорода има положителен заряд, равен по величина на отрицателния заряд на съответния електрон, но притежава маса, надхвърляща два хиляди пъти масата на електрона. По-късно Ръдърфорд го нарича протон. Става ясно, че като цяло атомът е електрически неутрален, защото броят на протоните в неговото ядро е равен на броя на обикалящите около ядрото електрони. Но такъв брой на протоните не отговаря на масата на атомите, като се изключи простият случай на водорода. За да отстрани това разминаване, Ръдърфорд предлага през 1920 г. идеята, че ядрата могат да съдържат електрически неутрални частици, които по-късно нарича неутрони, образувани от съединяване на електрона и протона. Противоположната гледна точка е, че атомите съдържат електрони както извън, така и вътре в ядрото и че отрицателният заряд на ядрените електрони неутрализира част от заряда на протоните. Тогава протоните в ядрото биха давали пълен принос за общата маса на атома, а сумарният им заряд би бил именно такъв, че да неутрализира заряда на заобикалящите около ядрото електрони. Макар че към предположението на Ръдърфорд за съществуването на неутрална частица се отнасят с уважение, идеята не получава експериментално потвърждение.

Чадуик получава докторска степен по физика в Кеймбридж през 1921 г. и е избран за член на научния съвет на Гонвил анд Кийс колидж. Две години по-късно той става заместник-директор на лабораторията "Кавендиш". До края на 20-те години Чадуик изследва атомни явления като изкуственото разпадане на ядрата на леките елементи при бомбардирането им с алфа-частици и спонтанното излъчване на бета-частици (електрони). В процеса на работата той размишлява как би могъл да потвърди съществуването на ръдърфордовата неутрална частица, но решаващите изследвания, които му позволяват да направи това, са проведени в Германия и Франция.

През 1930 г. немските физици Валтер Боте и Ханс Бекер откриват, че при бомбардирането на някои леки елементи с алфа-частици се появява излъчване, притежаващо особена проникваща сила, което те приемат за гама-лъчи. Гама-лъчите стават за първи път известни като излъчване, пораждано от радиоактивните ядра. Те притежават по-голяма проникваща способност от рентгеновите лъчи, защото имат по-къса дължина на вълната. Но някои резултати озадачават, особено когато като мишена за бомбардировката се използва берилий. При това излъчването по посока на движението на падащия поток от алфа-частици притежава по-голяма проникваща способност от обратното излъчване. Чадуик предполага, че берилият излъчва поток неутрални частици, а не гама-лъчи. През 1932 г. френските физици Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри, като изследват проникващата способност на излъчването на берилия, поставят различни поглъщащи материали между бомбардирания берилий и йонизираща камера, изпълняваща ролята на регистратор на излъчването. Когато като поглъщащо вещество вземат парафин (който е богат на водород), откриват увеличаване, а не намаляване на излъчването, излизащо от парафина. Проверката ги довежда до извода, че усиленото излъчване е свързано с протоните (водородните ядра), които проникващата радиация избива от парафина. Те предполагат, че протоните се избиват в резултат от сблъсък с квантите (дискретни енергийни единици) на необичайно мощното гама-излъчване, както електроните се избиват от сблъсък с рентгеновите лъчи (ефект на Комптън) при експеримента, проведен за първи път от Артър Х. Комптън.

Чадуик повтаря и разширява експеримента, проведен от френската двойка, и открива, че дебела оловна пластина не оказва някакво забележимо влияние върху излъчването на берилия, като не го отслабва и не предизвиква вторично излъчване, което свидетелства за високата му проникваща способност. Но парафинът отново дава добавъчен поток от бързи протони. Чадуик прави проверка, която потвърждава, че това наистина са протони, и определя тяхната енергия. След това посочва, че по всички признаци е крайно малко вероятно при сблъскването на алфа-частиците с берилия да възникват гама-лъчи с енергия, достатъчна за избиване на протони от парафина с такава скорост. Затова той оставя идеята за гама-лъчите и се съсредоточава върху неутронната хипотеза. Като приема, че неутронът съществува, той открива, че като резултат от поглъщането на алфа-частица от ядрото на берилия може да се образува ядро на елемента въглерод, при което се освобождава един неутрон. Същото прави и с бора - още един елемент, пораждащ проникваща радиация при бомбардировка с алфа-лъчи. Алфа частицата и ядрото на бора се свързват, като образуват ядро на азот и неутрон. Високата проникваща способност на потока от неутрони възниква, защото неутронът не притежава заряд и следователно при движение във веществото не се влияе от електрическите полета на атомите, а взаимодейства с ядрата само при преки сблъсъци. На неутрона му е необходима също така по-малко енергия, отколкото на гама-лъча, за да избие протон, защото притежава по-голям импулс от квант електромагнитно излъчване на същата енергия. Това, че излъчването на берилия в права посока се оказва по-проникващо, може да се свърже с предпочитаното излъчване на неутрони по направление на импулса на падащия поток алфа-частици.

Чадуик също така потвърждава хипотезата на Ръдърфорд, че масата на неутрона трябва да бъде равна на масата на протона, като анализира обмена на енергии между неутроните и протоните, избити от вещество като при сблъскване на билярдни топки. Обменът на енергия е особено ефективен, защото масите им са почти еднакви. Чадуик също така анализира пътищата на азотните атоми, подложени на удар от неутрони в кондензационна камера - прибор, изобретен от Ч. Т. Р. Уилсън. Парата в кондензационната камера се кондензира край наелектризирана пътечка, която оставя йонизиращата частица при взаимодействието си с молекулите на парата. Пътечката се вижда, макар че самата частица е невидима. Понеже неутронът не оказва непосредствено йонизиращо въздействие, следата му не се вижда. На Чадуик му се налага да установява свойствата му по пътя, който оставя, след като се е сблъскал с азотния атом. Оказва се, че масата на неутрона превишава с 1.1% масата на протона.

Експериментите и изчисленията, направени от други физици, потвърждават изводите на Чадуик и съществуването на неутрона е признато бързо. Скоро след това Вернер Хайзенберг доказва, че неутронът не е смес от протон и електрон, а е незаредена ядрена частица - трета субатомна (елементарна) частица от тези, които са открити. Предложеното от Чадуик доказателство за съществуването на неутрона през 1932 г. променя коренно картината на атома и прокарва път за по-нататъшни открития във физиката. Неутронът има и практическо приложение като разрушител на атома: за разлика от положително заредения протон той не се отблъсква, когато се приближава до ядрото.

Чадуик се премества през 1935 г. в Ливърпулския университет, за да създаде нов център за физически ядрени изследвания. В Ливърпул той наблюдава модернизацията на университетското оборудване и ръководи строителството на циклотрон - установка за ускоряване на заредени частици.

Когато през 1939 година започва Втората световна война, британското правителство се обръща към Чадуик с въпроса възможна ли е верижна ядрена реакция и той започва да изследва тази възможност с помощта на ливърпулския циклотрон. През следващата година влиза в състава на Модовския комитет, малка избрана група от видни британски учени, която прави оптимистични изводи за възможността Британия да създаде атомна бомба, и става координатор на експериментални програми за разработка на атомно оръжие в Ливърпул, Кеймбридж и Бристол. По-нататък обаче Британия решава да се присъедини към американската програма за създаване на ядрено оръжие и изпраща своите учени, занимаващи се с ядрени изследвания, в Съединените щати. От 1934 до 1945 г. Чадуик координира усилията на британските учени, работещи по Манхатънската програма (секретна програма за създаване на атомната бомба).

Чадуик се връща в Ливърпулския университет през 1946 г. След две години се оттегля от активна научна дейност и оглавява Гонвил анд Кийс колидж. През 1958 г. се премества в Северен Уелс със съпругата си Айлин, за която се жени през 1925 г. Двамата се връщат в Кеймбридж през 1969 г., за да бъдат по-близо до своите дъщери близначки. Пет години по-късно Чадуик умира.

Освен Нобелова награда Чадуик получава медала Хюгс ( 1932 г.) и медала Копли (1950 г.) на Кралското дружество, медала "За заслуги" на правителството на САЩ (1946 г.), медала Франклин на Франклиновия институт (1951 г.) и медала Гътри на Физическия институт в Лондон (1967 г.). Той е удостоен с почетни степени от девет британски университета и е член на много научни дружества и академии в Европа и Съединените щати.

Превод от руски: Павел Б. Николов