Чедвик (Chadwick), Джеймс

Известные химики / Чедвик (Chadwick), Джеймс

Английский физик Джеймс Чедвик родился в г. Боллингтоне, вблизи Манчестера. Он был старшим из четырех детей Джона Джозефа Чедвика, владельца прачечной, и Энн Мэри (Ноулс) Чедвик. Окончив местную начальную школу, он поступил в манчестерскую муниципальную среднюю школу, где выделялся успехами в математике. В 1908 г. Чедвик поступил в Манчестерский университет, собираясь изучать математику, однако по недоразумению с ним провели собеседование по физике. Слишком скромный, чтобы указать на ошибку, он внимательно выслушал вопросы, которые ему задавали, и решил сменить специализацию. Через три года он окончил университет с отличием по физике.

В 1911 г. Чедвик начал аспирантскую работу под руководством Эрнеста Резерфорда в физической лаборатории в Манчестере. Именно в это время эксперименты по рассеянию альфа-частиц (которые рассматривались как заряженные атомы гелия), пропущенных через тонкую металлическую фольгу, привели Резерфорда к предположению, что вся масса атома сконцентрирована в плотном положительно заряженном ядре, окруженном отрицательно заряженными электронами, которые, как известно, обладают относительно малой массой. Чедвик получил степень магистра в Манчестере в 1913 г., и в этом же году, став обладателем стипендии, он уехал в Германию, чтобы изучать радиоактивность под руководством Ганса Гейгера (бывшего ассистента Резерфорда) в Государственном физико-техническом институте в Берлине. Когда в 1914 г. началась первая мировая война, Чедвик был интернирован как английский гражданин и более 4 лет провел в лагере для гражданских лиц в Рулебене. Хотя Чедвик страдал от суровых условий, подтачивавших его здоровье, он принял участие в научном обществе, созданном его товарищами по несчастью. Деятельность этой группы получила поддержку со стороны некоторых немецких ученых, включая Вальтера Нернста, с которым Чедвик познакомился, будучи интернирован.

Чедвик вернулся в Манчестер в 1919 г. Незадолго перед этим Резерфорд обнаружил, что бомбардировка альфа-частицами (которые теперь рассматривались как ядра гелия) может вызвать распад атома азота на более легкие ядра других элементов. Несколько месяцев спустя Резерфорда выбрали на должность директора Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, и он пригласил Чедвика последовать за ним. Чедвик получил стипендию Уоллестона в Гонвилл-энд-Кайус-колледже, Кембридж, и смог работать с Резерфордом, продолжая эксперименты с альфа-частицами. Они выяснили, что при бомбардировке ядер часто образуется то, что, по-видимому, является ядрами водорода, легчайшего из элементов. Ядро водорода несло положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду соответствующего электрона, но обладало массой, примерно в 2 тыс. раз превышающей массу электрона. Резерфорд позднее назвал его протоном. Становилось ясно, что атом как целое был электрически нейтральным, поскольку число протонов в его ядре равнялось числу окружающих ядро электронов. Однако такое число протонов не согласовалось с массой атомов, за исключением простейшего случая водорода. Чтобы устранить такое расхождение, Резерфорд предложил в 1920 г. идею, что ядра могут содержать электрически нейтральные частицы, которые позднее он назвал нейтронами, образованные соединением электрона и протона. Противоположная точка зрения состояла в том, что атомы содержат электроны как вне, так и внутри ядра и что отрицательный заряд ядерных электронов просто нейтрализует часть заряда протонов. Тогда протоны ядра давали бы полный вклад в общую массу атома, а их суммарный заряд был бы как раз такой, чтобы нейтрализовать заряд окружающих ядро электронов. Хотя к предположению Резерфорда о том, что существует нейтральная частица, отнеслись с уважением, но все же не было экспериментального подтверждения этой идеи.

Чедвик получил докторскую степень по физике в Кембридже в 1921 г. и был избран членом ученого совета Гонвилл-энд-Кайус-колледжа. Два года спустя он стал заместителем директора Кавендишской лаборатории. Вплоть до конца 20-х гг. он исследовал такие атомные явления, как искусственный распад ядер легких элементов под действием бомбардировки альфа-частицами и спонтанное испускание бета-частиц (электронов). В процессе этой работы он размышлял над тем, как можно было бы подтвердить существование резерфордовской нейтральной частицы, однако решающие исследования, позволившие это сделать, были проведены в Германии и Франции.

В 1930 г. немецкие физики Вальтер Боте и Ханс Беккер обнаружили, что при бомбардировке некоторых легких элементов альфа-частицами возникает излучение, обладающее особой проникающей силой, которое они приняли за гамма-лучи. Гамма-лучи впервые стали известны как излучение, порождаемое радиоактивными ядрами. Они обладали большей, чем у рентгеновских лучей, проникающей способностью, поскольку у них более короткая длина волны. Однако некоторые результаты озадачивали, особенно когда в качестве мишени для бомбардировки использовался бериллий. При этом излучение в направлении движения падающего потока альфа-частиц обладало большей проникающей способностью, чем обратное излучение. Чедвик предположил, что бериллий испускает поток нейтральных частиц, а не гамма-лучи. В 1932 г. французские физики Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри, исследуя проникающую способность излучения бериллия, помещали различные поглощающие материалы между бомбардируемым бериллием и ионизационной камерой, выполнявшей роль регистратора излучения. Когда в качестве поглотителя они взяли парафин (вещество, богатое водородом), то обнаружили увеличение, а не уменьшение излучения, выходящего из парафина. Проверка привела их к выводу, что усиление излучения связано с протонами (ядрами водорода), выбиваемыми из парафина проникающей радиацией. Они предположили, что протоны выбиваются в результате столкновений с квантами (дискретными единицами энергии) необычайно мощного гамма-излучения, подобно тому как электроны выбиваются при столкновении с рентгеновскими лучами (эффект Комптона) в эксперименте, впервые проведенном Артуром Х. Комптоном.

Чедвик быстро повторил и расширил эксперимент, проведенный французской парой, и обнаружил, что толстая свинцовая пластина не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на излучение бериллия, не ослабляя его и не порождая вторичного излучения, что свидетельствовало о его высокой проникающей способности. Однако парафин вновь дал добавочный поток быстрых протонов. Чедвик произвел проверку, которая подтвердила, что это действительно протоны, и определил их энергию. Затем он показал, что по всем признакам крайне мало вероятно, чтобы при столкновениях альфа-частиц с бериллием могли возникать гамма-лучи с энергией, достаточной для того, чтобы выбивать протоны из парафина с такой скоростью. Поэтому он оставил идею о гамма-лучах и сосредоточился на нейтронной гипотезе. Приняв существование нейтрона, он показал, что в результате захвата альфа-частицы ядром бериллия может образоваться ядро элемента углерода, причем освобождается один нейтрон. То же самое он проделал и с бором – еще одним элементом, порождавшим проникающую радиацию при бомбардировке альфа-лучами. Альфа-частица и ядро бора соединяются, образуя ядро азота и нейтрон. Высокая проникающая способность потока нейтронов возникает потому, что нейтрон не обладает зарядом и, следовательно, при движении в веществе не испытывает влияния электрических полей атомов, а взаимодействует с ядрами лишь при прямых столкновениях. Нейтрону требуется также меньшая энергия, чем гамма-лучу, чтобы выбить протон, поскольку он обладает большим импульсом, чем квант электромагнитного излучения той же энергии. То, что излучение бериллия в прямом направлении оказывается более проникающим, можно связать с предпочтительным излучением нейтронов в направлении импульса падающего потока альфа-частиц.

Чедвик также подтвердил гипотезу Резерфорда, что масса нейтрона должна быть равна массе протона, анализируя обмен энергией между нейтронами и протонами, выбитыми из вещества, как если бы речь шла о соударении бильярдных шаров. Энергообмен особенно эффективен, поскольку их массы почти одинаковы. Он также проанализировал треки атомов азота, подвергшихся соударению с нейтронами, в конденсационной камере – приборе, изобретенном Ч.Т.Р. Вильсоном. Пар в конденсационной камере конденсируется вдоль наэлектризованной дорожки, которую оставляет ионизирующая частица при взаимодействии с молекулами пара. Дорожка видна, хотя сама частица и невидима. Поскольку нейтрон не оказывает непосредственно ионизирующего воздействия, его след не виден. Чедвику пришлось устанавливать свойства нейтрона по треку, оставляемому после соударения с атомом азота. Оказалось, что масса нейтрона на 1,1% превышает массу протона.

Эксперименты и расчеты, проделанные другими физиками, подтвердили выводы Чедвика, и существование нейтрона было быстро признано. Вскоре после этого Вернер Гейзенберг показал, что нейтрон не может быть смесью протона и электрона, а представляет собой незаряженную ядерную частицу – третью субатомную, или элементарную, частицу из тех, что были открыты. Предложенное Чедвиком доказательство существования нейтрона в 1932 г. в корне изменило картину атома и проложило путь для дальнейших открытий в физике. У нейтрона было и практическое применение как у разрушителя атома: в отличие от положительно заряженного протона он не отталкивается при подходе к ядру.

«За открытие нейтрона» Чедвик был награжден в 1935 г. Нобелевской премией по физике. «Существование нейтрона полностью установлено, – сказал Ханс Плейель 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».

Чедвик перешел в 1935 г. в Ливерпульский университет, чтобы создать новый центр физических ядерных исследований. В Ливерпуле он следил за модернизацией университетского оборудования и руководил строительством циклотрона – установки для ускорения заряженных частиц. Когда в 1939 г. началась вторая мировая война, британское правительство обратилось к Чедвику с запросом, возможна ли цепная ядерная реакция, и он начал с помощью ливерпульского циклотрона исследовать эту возможность. В следующем году он вошел в состав Модовского комитета, небольшой избранной группы видных британских ученых, которая сделала оптимистические выводы о возможности Британии создать атомную бомбу, и стал координатором экспериментальных программ по разработке атомного оружия в Ливерпуле, Кембридже и Бристоле. В дальнейшем, однако, Британия решила присоединиться к американской программе создания ядерного оружия и направила своих ученых, занимавшихся ядерными исследованиями, в Соединенные Штаты. С 1943 по 1945 г. Чедвик координировал усилия британских ученых, работавших над Манхэттенским проектом (секретная программа создания атомной бомбы).

Чедвик вернулся в Ливерпульский университет в 1946 г. Два года спустя он отошел от активной научной деятельности и возглавил Гонвилл-энд-Кайус-колледж. В 1958 г. он переехал в Северный Уэльс с женой Эйлин, до замужества Стюарт-Браун, на которой женился в 1925 г. Они вернулись в Кембридж в 1969 г., чтобы быть поближе к своим дочерям-близнецам. Чедвик умер 5 лет спустя в Кембридже.

Кроме Нобелевской премии, Чедвик получил медаль Хьюгса (1932 г.) и медаль Копли (1950 г.) Королевского общества, медаль «За заслуги» правительства США (1946 г.), медаль Франклина Франклиновского института (1951 г.) и медаль Гутри Физического института в Лондоне (1967 г.). Получив дворянское звание в 1945 г., он являлся обладателем почетных степеней 9 британских университетов и был членом многих научных обществ и академий в Европе и Соединенных Штатах.

      Информация о химии

      Форма микролинз контролируется уровнем pH

      Исследователи из Китая использовали обычный белок для создания оптических линз, диаметр которых составляет десятые доли микрометра. Фокусировка таких линз может изменяться просто за счет изменения значения pH окружающей среды. Ис ...

      Парацельс (Paracelsus) (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм)

      Знаменитый средневековый врач и алхимик Парацельс родился в городке Айнзидельн (кантон Швиц, Швейцария) в семье врача. По примеру своего отца Парацельс начал изучать медицину – в Германии, Франции и Италии. В 1515 г. он полу ...

      Шанкуртуа (Beguyer de Chancourtois), Александр Эмиль Бегуйе де

      Французский геолог и химик Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа родился в Париже. После окончания в 1838 г. парижской Высшей Политехнической школы продолжил образование в Горной школе (Ecole des Mines). Закончив её, Шанкуртуа в 184 ...