Памяти Джеймса Чедвика физика, открывшего нейтрон.

Сэр Джеймс Чедвик (англ. Sir James Chadwick) родился 20 октября 1891 года в Боллингтоне, вблизи Манчестера. Он был старшим из четырех детей в семье владельца прачечной.

Окончив местную начальную и манчестерскую муниципальную среднюю школу в 1908 году, Чедвик поступил в Манчестерский университет, собираясь изучать математику. По недоразумению с ним провели собеседование по физике. Слишком скромный, чтобы указать на ошибку, он решил сменить специализацию. Через три года он окончил университет с отличием и пришел работать в лабораторию, где уже трудились два выдающихся физика.

Один из них был даже физиком в квадрате и говорил, что все науки делятся на физику и коллекционирование марок, за что и получил Нобелевскую премию по химии. Второй так и не стал лауреатом, но зато прославил свое имя в приборе. В общем, именно в то время, когда Чедвик начал заниматься наукой, в той лаборатории, где он начал свой научный путь, Эрнест Резерфорд и Ханс Гейгер открывали ядро атома. Достаточно вспомнить знаменитый эксперимент, когда тонкую фольгу бомбардируют альфа-частицами и какое-то их количество внезапно отражается назад.

 Это был 1909 год. Чедвику всего 18, но он уже стартовал с высшего уровня современной ему науки. Через два года он получил магистерскую степень и уехал в Германию изучать бета-излучение под руководством того же Ханса Гейгера в Берлине. А затем началась Первая мировая война. Как представитель вражеской страны Чедвик был интернирован: задержан и размещен в специальном лагере. Условия были суровы, но и там он занимался наукой. В лагере для интернированных в Рулебене ученые разных стран организовались и начали обсуждать научные темы. Им даже удалось получить поддержку знаменитого уже к тому времени Вальтера Нернста, который сам в 1920 году получит Нобелевскую премию за работы по термодинамике.

Чедвик вернулся в Манчестер в 1919 году. Примерно тогда Резерфорд получил приглашение возглавить знаменитую Кавендишскую лабораторию в Кембридже, куда он и пригласил Чедвика.

Вместе они продолжили эксперименты по бомбардировке различных веществ альфа-частицами, и вскоре выяснилось интересное. Иногда при этом вылетали ядра атомов водорода. Заряд атома был равен заряду уже открытого электрона, но масса — в 2000 раз больше. Резерфорд назвал его протоном. Получалось, что в составе атомов есть электроны и протоны, но их массы тогда не хватало для массы целого атома. Тогда Резерфорд и предложил существование некоей нейтральной частицы внутри атома. По его мнению, это было неким сложным образованием протона и электрона.

В 1921 году Чедвик стал доктором физических наук и получил место в ученом совете Гонвилл-энд-Кайус-колледжа. Всё это время он занимался изучением распада легких ядер под воздействием бомбардировки альфа-частицами. Мысль о нейтральной частице, тем не менее, не оставляла его, и он искал способ доказать её существование. Открыть нейтральную частицу получилось десять лет спустя. В 1930 году немцы Вальтер Боте и Ханс Беккер обнаружили, что при бомбардировке некоторых легких элементов альфа-частицами возникает излучение, которые было принято за гамма-излучение.

Но не все складывалось: когда бомбардировали пластинку бериллия, то в направлении от потока альфа-частиц излучение было интенсивнее, чем по направлению к потоку. При гамма-излучении так быть не должно: электромагнитные волны распространяются во все стороны одинаково.

Чедвик предположил, что альфа-частицы выбивают из атомов те самые нейтральные частицы.

В 1932 году супруги Жолио-Кюри усложнили эксперимент, размещая между бериллием и ионизационной камерой-регистратором различные вещества, изучая, насколько новое «гамма»-излучение ослабляется ими. И снова неожиданный результат: когда за бериллием поставили пластинку парафина (насыщенного углеводорода), то излучение не ослабло, а, наоборот, усилилось. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри решили, что они видят некий новый эффект Комптона. Только при эффекте Комптона электромагнитное излучение выбивает из вещества электроны, а, по мнению Жолио-Кюри, необычайно мощное гамма-излучение выбивает протоны.

Чедвик подхватил эстафету. Оказалось, что «бериллиевое» излучение свободно проходит сквозь свинец, не ослабляясь и не усиливаясь. Он снова вернулся к парафину. Показал, что то, что вылетает из парафина, действительно водород, определил энергию протона. Он также провел теоретическое моделирование, которое показало, что при столкновении альфа-частиц с бериллием невозможно получить гамма-кванты такой энергии, чтобы они выбили наблюдаемые протоны, и принял окончательно нейтронную гипотезу.

Дальше Чедвик показал, что альфа-частица, соударяясь с бериллием образует углерод, «выталкивая» из него один нейтрон. Поскольку он нейтрален, он не взаимодействует с атомами электромагнитно, а сталкивается только с ядрами. А для того чтобы выбить протон, ему нужна меньшая энергия, ибо масса его больше — и больше импульс. Этим можно объяснить и то, что излучение пластинки бериллия больше в направлении от источника излучения, поскольку нейтроны, по-видимому, излучаются в направлении импульса падающих частиц (напомним, импульс — величина векторная).

Кроме того, удалось экспериментально показать, что масса нейтрона почти равна массе протона. Потому-то так удачно нейтроны и выбивают именно ядра водорода: подобно соударению бильярдных шаров. Масса нейтрона была определена очень изящно: поскольку сам нейтрон не оставляет ионизирующего следа в камере Вильсона, были проанализированы треки атомов азота, в которых попали нейтроны. Анализ показал, что нейтрон имеет массу, всего чуть более на процент превышающую массу протона.

Нобелевская премия в 1935 году была абсолютно заслуженной. «Существование нейтрона полностью установлено, — сказал Ханс Плейель, представитель Нобелевского комитета из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения, — в результате чего ученые пришли к новой концепции строения атома, которая лучше согласуется с распределением энергии внутри атомных ядер. Стало очевидным, что нейтрон образует один из строительных кирпичей, из которых состоят атомы и молекулы, а значит, и вся материальная Вселенная».

После Нобелевского успеха первооткрывателю нейтрона, одного из ключевых элементов в цепной ядерной реакции, была прямая дорога в разработку ядерного оружия. И действительно, именно Чедвиком подписана финальная версия меморандума так называемого комитета MAUD, в который входили только рожденные в Британии ученые, настолько глубоко засекреченного, что о его существовании не знали все члены Британского правительства. Кстати, любопытный факт: слово MAUD, писавшееся как аббревиатура, на самом деле аббревиатурой не являлось. Так звали экономку Бора, которая была упомянута в последней строчке телеграммы Бора, отправленной в день захвата Германией Дании немецкому физику Отто Фришу, сбежавшему в Великобританию: «tell Cockcroft and Maud Ray Kent» («скажите Кокрофту и Мод Рэй в Кенте»).

Так Чедвик начал работу над проектом Tube Alloys, который был призван создать британское ядерное оружие. Именно Чедвик в своей ливерпульской лаборатории в апреле 1941 году экспериментально подтвердил, что критическая масса урана-235, необходимого для ядерной реакции, может быть 8 килограммов или меньше. Вот тогда и был создан меморандум, который был передан президенту США и повлиял на включение Америки в атомную гонку, а затем именно Чедвик возглавил делегацию Британии по участию в Манхэттенском проекте.

Судьба дала Чедвику долгую жизнь. В 1948 году он отошел от большой науки и занялся руководством — стал во главе Гонвилл-энд-Кайус-колледжа. Потом он уехал в Северный Уэльс и вернулся в Кембридж всего за пять лет до смерти, в 1969 году. Чедвик с женой хотели быть поближе к своим близнецам-дочерям, которые тоже остались в науке.

Получив дворянское звание в 1945 году, Чедвик являлся обладателем почетных степеней нескольких британских университетов и был членом многих научных обществ и академий мира. Кроме Нобелевской премии, ученый был награжден медалью Хьюгса и медалью Копли Королевского общества, медалью «За заслуги» правительства США, медалью Франклина Франклиновского института и медалью Гутри Физического института в Лондоне.

Джеймс Чедвик скончался 24 июля 1974 года в Кембридже.