فیزیکدان بریتانیایی (۱۹۶۴-۱۸۹۱)
Sir James Chadwick
فیزیک نوترون ۱۹۳۵
چادویک در Maccles Field به دنیا آمد و در دانشگاه منچستر به تحصیل پرداخت. در ۱۹۹۱ فارغ التحصیل شد و به عنوان دانشجوی فوق لیسانس زیر نظر ارنست رادرفورد (E.Rutherford) به کارش ادامه داد. در ۱۹۱۳ به منظور کار زیر نظر هانس گایگر
(H.Geiger)، مخترع شمارشگر گایگر، رهسپار لیپزیک شد. در آنجا کار وی این بود که طیف اشعه بتای صادر شده به وسیله اجسام رادیواکتیو مختلف را که اساساً متفاوت به نظر می رسیدند، مطالعه کند. این تفاوت به این خاطر بود که طیف آنها توزیع پیوسته ای از انرژی های حرکتی را نشان می داد که تقریباً از صفر تا مقادیر نسبتاً زیاد را در برمی گرفت. هنوز چیزی از آغاز فعالیت وی نزد گایگر نگذشته بود که خود را چنان یک بیگانه و دشمن یافت. کار او در پاییز همان سال ۱۹۱۴ کامل و برای انتشار آماده بود که ناگهان جنگ جهانی اول در گرفت و او به عنوان دشمن توقیف و در تمام مدت جنگ به اردوگاه های اسرای جنگی اعزام شد. او در این مدت سرما و گرسنگی را تحمل کرد. با این حال با کمک های والتر نرنست (W.Nernst) اجازه یافت تا پژوهش های مقدماتی خود را دنبال کند.
وی در بازگشت به انگلستان در ۱۹۱۹ از سوی رادرفورد برای همکاری با دانشگاه کمبریج فراخوانده شد و از ۱۹۲۱ تا ۱۹۳۵ به عنوان دستیار مدیر پژوهش های آزمایشگاه کاوندیش به خدمت پرداخت.
در این فاصله بود که چادویک بزرگ ترین اکتشاف خود یعنی کشف نوترون ها را در ۱۹۳۲ به ثمر رسانید. تا پیش از این کشف، فیزیکدانان تنها انتظار وجود دو نوع ذره بنیادی پروتون (P) با بار الکتریکی مثبت و الکترون (e) با بار الکتریکی منفی را داشتند. و بر همه روشن بود که این دو ذره نمی توانند در تبیین تمامی پدیده های اتمی مشاهده شده کفایت کنند. برای مثال هسته اتم کربن که وزن اتمی آن ۱۲ است باید ۱۲ پروتون داشته باشد اما چون بار هسته کربن فقط ۶ است باید ۶ بار الکتریکی منفی نیز داشته باشد و فرض بر این بود که بارهای منفی به وسیله ۱۶ الکترون فراهم می شود که به ۱۲ پروتون پیوسته اند تا یک هسته اتم کربن را تشکیل دهند. با تمامی اینها فرض وجود الکترون ها در هسته به لحاظ نظریه کوانتوم به مشکلات بزرگی منتهی می شد. رادرفورد در ۱۹۲۰ راه حل مشابهی را مبنی بر وجود پروتون های بدون بار مطرح ساخت. با این فرضیه اصلاً لزومی نداشت که الکترون ها درون هسته اتم وجود داشته باشند و ترکیب هسته کربن مثلاً می توانست چنین نوشته شود: ۶ نوترون + ۶ پروتون = ۱۲ C. از این رو در ۱۹۲۵ برنامه مفصلی در آزمایشگاه کاوندیش به راه افتاد که موضوع آن بیرون کشیدن نوترون ها از هسته بعضی از عناصر سبک و در نتیجه اثبات وجود آنها بود. اما چون نتایج آزمایش منفی بود، برنامه متوقف شد و اثبات وجود نوترون ها چند سالی به تاخیر افتاد. در پی همین آزمایشات چادویک در طول دهه ۱۹۲۰ کوشید تا با بمباران هسته اتم آلومینیوم توسط ذرات آلفا (هسته هلیم)، نوترون ها را کشف کند. گزارش بسیار نویدبخشی که در ۱۹۳۰ به اطلاع رسید حکایت از آن داشت که بمباران هسته اتم بریلیم با ذرات آلفا منجر به تولید پرتوهای بسیار نافذی می شود. در ۱۹۳۲ بود که ایرن و فردریک ژولیت کوری دریافتند که عناصر سبکی مانند بریلیم هنگامی که با ذرات آلفای سریع حاصل از پلوتونیوم بمباران شوند، تابش بسیار با نفوذی گسیل می دارند. این تابش با میدان مغناطیسی منحرف نمی شود اما وقتی از موم پارافینی می گذرد سبب بیرون اندازی پروتون هایی می شود که سرعت بسیار زیادی دارند. اما کوری ها نتوانستند توضیح رضایت بخشی برای توان نفوذ و انرژی زیاد تابش مذکور فراهم آورند. آنها حدس می زدند که چنین پرتوهایی احتمالاً از پرتوهای گاما، پرتوهای الکترومغناطیسی با طول موج بسیار کوتاه، تشکیل می شوند. چادویک نشان داد که پرتوهای گاما، پروتون ها را گسیل نمی دارند بلکه این نتیجه تنها در صورتی قابل تبیین است که ذرات گسیل شده جرم تقریباً مشابهی با پروتون ها اما بدون بار الکتریکی داشته باشند.
این ذرات همان نوترون ها بودند. بدین ترتیب چادویک به خاطر این اکتشاف برنده جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۳۵ شد. در سال ۱۹۳۶ بین چادویک که آرزوی ساخت یک سیکلوترون را در آزمایشگاه کاوندیش در سر می پروراند و رادرفورد که به شدت با تمامی پروژه هایی از این دست مخالف بود، اختلاف نظرهایی درگرفت و بدین ترتیب بود که چادویک تصمیم گرفت که کرسی استادی فیزیک دانشگاه لیورپول را که به وی پیشنهاد شده بود، بپذیرد. و در آنجا بود که وی نخستین سیکلوترون بریتانیا را ساخت. و هنگام شروع جنگ جهانی دوم برای حمایت از ادعای اوتوفریش (O.Frisch) و رادولف پیرلز (R.Peierls) مبنی به امکان ساخت بمب اتمی آماده بود. در نتیجه طی جنگ بیشتر وقت خود را به عنوان رئیس هیأت بریتانیا برای پروژه منهتن در آمریکا گذرانید. او به خاطر انجام این خدمات در ۱۹۴۵ مفتخر به دریافت لقب سر شد و در ۱۹۵۸ به کمبریج بازگشت و به عنوان استاد کالج گوتویل تا هنگام بازنشستگی در ۱۹۵۸ به کار خود ادامه داد.
چادویک چگونه نوترون را کشف کرد؟
در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد .در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده است که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره‌ی فرضی نام نوترون (به معنای خنثی) راپیشنهاد کرد . تحقیق در یافتن نوترون تا سال 1932 به دو دلیل نامؤفق ماند .اول آنکه دانشمندان نمی توانستند ماده ی طبیعی بیابند که گسیل کننده ی نوترون باشد و دیگر آنکه روش هایی که برای آشکارسازی ذرات اتمی به کار برده می شد ، همگی به آثار بار الکتریکی ذرات بستگی داشت.
در سال 1930 بث و بکر دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شوند، تابش هایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از نوع پرتوهای گاما هستند زیرا این پرتوها فاقد بار الکتریکی بودند . فردریک ژولیو و ایرن کوری به بررسی جذب تابش مذکور در پارافین پرداختند(پارافین ماده ی غنی از هیدروژن است) . آنها دریافتند که تابش حاصل ا زبریلیم وقتی به پارافین برخورد می کند، تعداد بسیاری هسته ی هیدروژن (پروتون) از پارافین می راند .چادویک به مطالعه ی انرژی پروتون های رانده شده پرداخت و بر اساس قوانین پایستگی و اندازه حرکت در فیزیک کلاسیک ، این فرض را بنا نهاد که ماهیت تابش حاصل از بمباران بریلیم نوترونی است که بار صفر و جرم برابر یک دارد . به عبارت دیگر وقتی بریلیم با ذره ی آلفا بمباران شود ، واکنش هسته ای صورت می گیرد و نوترون تولید می‌شود.