Нобелевские лауреаты: Джеймс Чедвик. Премия за нейтральность

Как скромность не позволила истинному англичанину указать на ошибку и привела его к Нобелевской премии, читайте в нашем новом выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».

Сэр Джеймс Чедвик

Родился 20 октября 1891 года, Боллингтон, графство Чешир, Великобритания

Умер 24 июля 1974 года, Кембридж, Великобритания

Нобелевская премия по физике 1935 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие нейтрона» (for the discovery of the neutron).

Наш сегодняшний герой родился близ Манчестера, в городе Боллингтоне. Его семья была если не в самом низу социальной лестницы, то близко к нему: Джон Джозеф Чедвик владел боллингтонской прачечной. Джеймс стал старшим из четырех детей Джона и Энн Мэри Чедвик. Окончив начальные классы по месту рождения, Чедвик отправился в Манчестер в среднюю школу. Там он показал такие успехи в математике, что стало ясно (по крайней мере, учителям и родителям): перед ними будущий Коши или Лагранж. И нужно продолжить обучение математике в пределе мечтаний — Манчестерском университете.

И тут произошла роковая случайность. То ли Джеймс зашел не в тут дверь, то ли приемная комиссия не очень поняла, но вместо математики провели собеседование по физике. А он был слишком вежлив и застенчив, чтобы прервать собеседование и сказать, что происходит что-то не то. Видимо, интуиция у Чедвика была еще более развита, чем его математические способности, потому что через три года он окончил Манчестерский 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 «Нобелевку» по химии. Второй так и не стал нобелиатом, 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. Помните тот 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.

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, о которых мы расскажем уже совсем скоро, 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.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.