James Chadwick

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Infotaula de personaJames Chadwick

Modifica el valor a Wikidata
Biografia
Naixement20 octubre 1891 Modifica el valor a Wikidata
Bollington (Anglaterra) (en) Tradueix Modifica el valor a Wikidata
Mort24 juliol 1974 Modifica el valor a Wikidata (82 anys)
Cambridge (Anglaterra) Modifica el valor a Wikidata
Master of Gonville and Caius College, Cambridge (en) Tradueix
1948 – novembre 1958 (jubilació)
← J. F. Cameron (en) TradueixNevill Francis Mott → Modifica el valor a Wikidata
Dades personals
FormacióUniversitat de Cambridge (1919–)
Universitat de Manchester (1908–)
Gonville and Caius College
Universitat Victòria de Manchester Modifica el valor a Wikidata
Director de tesiErnest Rutherford Modifica el valor a Wikidata
Es coneix per
Activitat
Camp de treballFísica, neutró, bomba atòmica i radioactivitat Modifica el valor a Wikidata
Ocupaciófísic nuclear, professor d'universitat, físic Modifica el valor a Wikidata
OcupadorUniversitat de Manchester
Universitat de Liverpool
Universitat Victòria de Manchester Modifica el valor a Wikidata
Membre de
AlumnesMaurice Goldhaber, Ernest C. Pollard, Charles Drummond Ellis i Dai Chuanzeng (en) Tradueix Modifica el valor a Wikidata
Carrera militar
ConflictePrimera Guerra Mundial Modifica el valor a Wikidata
Participà en
1939Projecte Manhattan Modifica el valor a Wikidata
Obra
Estudiant doctoralCharles Drummond Ellis, Maurice Goldhaber, Albert Crewe i Ernest C. Pollard Modifica el valor a Wikidata
Família
CònjugeAileen Stewart-Brown (en) Tradueix Modifica el valor a Wikidata
Premis

Musicbrainz: 5198c8d3-1c37-4c33-94ca-7debea642bea Find a Grave: 231356580 Modifica el valor a Wikidata

Sir James Chadwick CH (Manchester, Anglaterra 1891 - Cambridge 1974) va ser un físic anglès que va ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 1935 pel seu descobriment del neutró el 1932. El 1941, va escriure l'esborrany final de l’Informe MAUD, que va inspirar el govern dels Estats Units a començar seriosos esforços de recerca de la bomba atòmica. Va ser el cap de l'equip britànic que va treballar en el Projecte Manhattan durant la Segona Guerra Mundial. Va ser nomenat cavaller a Gran Bretanya el 1945 pels seus èxits en física.

Chadwick es va graduar a la Universitat Victoria de Manchester el 1911, on va estudiar amb Ernest Rutherford (conegut com el pare de la física nuclear).[1] A Manchester, va continuar estudiant amb Rutherford fins que se li va concedir el màster el 1913. El mateix any, Chadwick va rebre una beca de recerca de 1851 de la Comissió Reial per a l'Exposició de 1851. Va optar per estudiar la radiació beta amb Hans Geiger a Berlín. Utilitzant el comptador Geiger desenvolupat recentment de Geiger, Chadwick va poder demostrar que la radiació beta produïa un espectre continu, i no línies discretes com s'havia pensat. Encara a Alemanya quan va esclatar la Primera Guerra Mundial a Europa, va passar els quatre anys següents al camp d'internament de Ruhleben.

Després de la guerra, Chadwick va seguir a Rutherford al Laboratori Cavendish de la Universitat de Cambridge, on Chadwick va obtenir el seu títol de Doctor en Filosofia sota la supervisió de Rutherford a Gonville i Caius College, Cambridge, el juny de 1921. Va ser el subdirector d'investigació de Rutherford al Laboratori Cavendish durant més d'una dècada, en una època en què era un dels centres més importants del món per a l'estudi de la física, atraient estudiants com John Cockcroft, Norman Feather i Mark Oliphant. Chadwick va seguir el seu descobriment del neutró mesurant la seva massa. Va anticipar que els neutrons es convertirien en una arma important en la lluita contra el càncer. Chadwick va abandonar el laboratori Cavendish el 1935 per fer-se professor de física a la Universitat de Liverpool, on va revisar un laboratori antiquat i, amb la instal·lació d'un ciclotró, el va convertir en un centre important per a l'estudi de la física nuclear.

Durant la Segona Guerra Mundial, Chadwick va dur a terme investigacions com a part del projecte Tube Alloys per construir una bomba atòmica, mentre que el seu laboratori de Manchester i els voltants van ser assetjats pels bombardejos de la Luftwaffe. Quan l’Acord del Quebec va fusionar el seu projecte amb el Projecte Manhattan americà, va passar a formar part de la Missió Britànica, i va treballar al Laboratori de Los Alamos i a Washington, DC. Va sorprendre a tothom guanyant-se la confiança gairebé total de la directora del projecte Leslie R. Groves Jr. Pels seus esforços, Chadwick va rebre el títol de cavaller als Honors d'Any Nou l'1 de gener de 1945. El juliol de 1945, va veure la prova nuclear de Trinity. Després d'això, va exercir com a assessor científic britànic de la Comissió d'Energia Atòmica de les Nacions Unides. Incòmode amb la tendència cap a Big Science, es va convertir en el mestre de Gonville i Caius College el 1948. Es va jubilar el 1959.

Biografia[modifica]

Educació i primers anys[modifica]

James Chadwick va néixer a Bollington, Cheshire, el 20 d'octubre de 1891,[2] [3] el primer fill de John Joseph Chadwick, un filador de cotó, i d'Anne Mary Knowles, una criada domèstica. Va rebre el nom de James en honor al seu avi patern. El 1895, els seus pares es van traslladar a Manchester, deixant-lo a càrrec dels seus avis materns. Va anar a l'escola primària de Bollington Cross i se li va oferir una beca a la Manchester Grammar School, que la seva família va haver de rebutjar perquè no es podien permetre les petites taxes que encara s'havien de pagar. En comptes d'això, va assistir a la Central Grammar School for Boys de Manchester, on es va reunir amb els seus pares. Ara tenia dos germans petits, en Harry i en Hubert; una germana havia mort en la infància. Als 16 anys, es va presentar a dues oposicions per a les beques universitàries, i les va guanyar totes dues.[4][5]

Chadwick va optar per assistir a la Universitat Victoria de Manchester, a la qual va entrar el 1908. Pretenia estudiar matemàtiques, però es va matricular en física per error. Com la majoria dels estudiants, vivia a casa, caminant les 4 milles fins a la universitat i tornada cada dia. Al final del seu primer any, se li va concedir una beca Heginbottom per estudiar física. El departament de física estava dirigit per Ernest Rutherford, que va assignar projectes d'investigació als estudiants d'últim any, i va donar instruccions a Chadwick que dissenyés un mitjà per comparar la quantitat d'energia radioactiva de dues fonts diferents. La idea era que es poguessin mesurar en funció de l'activitat d’1 g de radi, una unitat de mesura que es coneixeria com a curie. L'enfocament suggerit per Rutherford no era viable, cosa que Chadwick sabia però que tenia por de dir-li a Rutherford, així que Chadwick va continuar i finalment va idear el mètode necessari. Els resultats es van convertir en el primer article de Chadwick, que, en coautor amb Rutherford, es va publicar el 1912.[6] Es va graduar amb honors de primera classe el 1911.[7]

Després d'haver ideat un mitjà per mesurar la radiació gamma, Chadwick va procedir a mesurar l'absorció de raigs gamma per diversos gasos i líquids. Aquesta vegada el document resultant es va publicar només amb el seu nom. Va rebre el títol de Màster en Ciències (MSc) el 1912 i va ser nomenat Beyer Fellow. L'any següent se li va concedir una Beca de recerca de 1851, que li va permetre estudiar i investigar en una universitat de l'Europa continental.

A Alemanya[modifica]

El 1913 va optar per anar a la Physikalisch-Technische Reichsanstalt de Berlín, per estudiar la radiació beta amb Hans Geiger. [8] Utilitzant el comptador Geiger desenvolupat recentment de Geiger, que proporcionava més precisió que les tècniques fotogràfiques anteriors, va poder demostrar que la radiació beta no produïa línies discretes, com s'havia pensat anteriorment, sinó un espectre continu amb pics en determinades regions. [9] [10] [11] [12] En una visita al laboratori de Geiger, a la Technische Hochschule de Berlín, avui dia Universitat Tècnica de Berlín, Albert Einstein va dir a Chadwick que: "Puc explicar qualsevol d'aquestes coses, però no puc explicar-les totes dues alhora". [11] L'espectre continu continuaria sent un fenomen inexplicable durant molts anys . [13]

Chadwick encara es trobava a Alemanya a l'inici de la Primera Guerra Mundial, i va ser arrestat i confinat al camp de concentració de Zivilgefangenenlager, prop de Berlín, on se li va permetre instal·lar un laboratori als estables i realitzar experiments científics amb materials improvisats com la pasta de dents radioactiva.[14] Amb l'ajuda de Charles Drummond Ellis, va treballar en la ionització del fòsfor i la reacció fotoquímica del monòxid de carboni i el clor.[15][16] Va ser alliberat després que l’armistici amb Alemanya entrés en vigor el novembre de 1918, i va tornar a casa dels seus pares a Manchester, on va escriure les seves troballes durant els quatre anys anteriors per als comissionats de l'Exposició de 1851.[17]

Rutherford va donar a Chadwick una plaça de professor a temps parcial a Manchester, la qual cosa li va permetre continuar investigant. [17] Va mirar la càrrega nuclear del platí, la plata i el coure i va trobar experimentalment que era el mateix que el nombre atòmic amb un error inferior a l'1,5 %. [18] L'abril de 1919, Rutherford es va convertir en director del Laboratori Cavendish de la Universitat de Cambridge, i Chadwick s'hi va unir uns mesos més tard. Chadwick va rebre una beca Clerk-Maxwell el 1920 i es va matricular com a estudiant de Doctor en Filosofia (PhD) al Gonville and Caius College, Cambridge. La primera meitat de la seva tesi va ser el seu treball amb els nombres atòmics. En el segon, va mirar les forces dins del nucli. El seu títol va ser atorgat el juny de 1921. [19] Al novembre, es va convertir en membre del Gonville and Caius College. [20]

Investigador[modifica]

Cambridge[modifica]

La beca Clerk-Maxwell de Chadwick va expirar el 1923, i el va succeir el físic rus Piotr Leonídovitx Kapitsa. El president del Consell Assessor del Departament d'Investigació Científica i Industrial, Sir William McCormick, va fer que Chadwick es convertís en el subdirector d'investigació de Rutherford. En aquest paper, Chadwick va ajudar a Rutherford a seleccionar estudiants de doctorat. Durant els següents anys, aquests inclourien John Cockcroft, Norman Feather i Mark Oliphant, que es convertirien en ferms amics de Chadwick. Com que molts estudiants no tenien ni idea del que volien investigar, Rutherford i Chadwick van suggerir temes. Chadwick va editar tots els articles produïts pel laboratori.[21]

L'edifici original del Laboratori Cavendish va ser el lloc d'alguns dels grans descobriments de la física. Va ser fundada l'any 1874 pel duc de Devonshire (el cognom del qual era Cavendish), i el seu primer professor va ser James Clerk Maxwell. Des de llavors, el laboratori és va traslladar a West Cambridge.[22]

El 1925, Chadwick va conèixer Ileen Stewart-Brown, la filla d'un corredor de borsa de Liverpool. Els dos es van casar l'agost de 1925, [21] amb Kapitza de testimoni. La parella va tenir dues filles bessones, Joanna i Judith, que van néixer el febrer de 1927.[23]

En la seva investigació, Chadwick va continuar investigant el nucli. El 1925, el concepte de spin havia permès als físics explicar l’efecte Zeeman, però també va crear anomalies inexplicables. Aleshores es creia que el nucli estava format per protons i electrons, de manera que es suposava que el nucli del nitrogen, per exemple, amb un nombre de massa de 14, contenia 14 protons i 7 electrons. Això li va donar la massa i la càrrega adequades, però el gir incorrecte.[24]

En una conferència a Cambridge sobre partícules beta i raigs gamma el 1928, Chadwick va tornar a conèixer Geiger. Geiger havia portat amb ell un nou model del seu comptador Geiger, que havia estat millorat pel seu estudiant postdoctoral Walther Müller. Chadwick no n'havia utilitzat cap des de la guerra, i el nou comptador Geiger-Müller era potencialment una millora important respecte a les tècniques de centelleig que s'utilitzaven llavors a Cambridge, que es basaven en l'ull humà com a l'observació. El principal inconvenient va ser que detectava radiació alfa, beta i gamma, i el radi, que el laboratori Cavendish utilitzava normalment en els seus experiments, emetia les tres, i per tant no era adequat per al que Chadwick tenia en ment. Tanmateix, el poloni és un emissor alfa, i Lise Meitner va enviar a Chadwick unes 2 mil·lícuries (aproximadament 0,5 µg) d’Alemanya.[25] [26]

A Alemanya, Walther Bothe i el seu alumne Herber havien utilitzat poloni per bombardejar el beril·li amb partícules alfa, produint una forma inusual de radiació. Chadwick va fer que l'estudiós de l'Exposició australià de 1851, Hugh Webster, dupliqués els seus resultats. Per a Chadwick, això era l'evidència d'una cosa que ell i Rutherford havien estat plantejant durant anys: el neutró, una partícula nuclear teòrica sense càrrega elèctrica.[25] Aleshores, el gener de 1932, Feather va cridar l'atenció de Chadwick sobre un altre resultat sorprenent. Frédéric i Irène Joliot-Curie havien aconseguit treure protons de la cera de parafina utilitzant poloni i beril·li com a font del que pensaven que era radiació gamma. Rutherford i Chadwick no estaven d'acord; els protons eren massa pesats per a això. Però els neutrons només necessitarien una petita quantitat d'energia per aconseguir el mateix efecte. A Roma, Ettore Majorana va arribar a la mateixa conclusió: els Joliot-Curies havien descobert el neutró però no ho sabien.[27]

Laboratori de Sir Ernest Rutherford

Chadwick va abandonar totes les seves altres responsabilitats per concentrar-se a provar l'existència del neutró, assistit per Feather[28] i treballant amb freqüència a la nit. Va idear un aparell senzill que consistia en un cilindre que contenia una font de poloni i un objectiu de beril·li. La radiació resultant es podria dirigir a un material com la cera de parafina. Les partícules desplaçades, que eren protons, anirien a una petita cambra d'ionització on es podrien detectar amb un oscil·loscopi.[27] Al febrer de 1932, després d'unes dues setmanes d'experimentació amb neutrons,[14] Chadwick va enviar una carta a Nature titulada Possible existència d'un neutró.[29] Va comunicar les seves troballes amb detall en un article enviat a Proceedings of the Royal Society A titulat The Existence of a Neutron al maig.[30] [31] El seu descobriment del neutró va ser una fita en la comprensió del nucli. Llegint l'article de Chadwick, Robert Bacher i Edward Condon es van adonar que les anomalies de la teoria actual, com el gir del nitrogen, es resoldrien si el neutró té un gir d'1/2 i que un nucli de nitrogen constava de set protons i set neutrons.[32][33]

Els físics teòrics Niels Bohr i Werner Heisenberg van considerar si el neutró podria ser una partícula nuclear fonamental com el protó i l'electró, en lloc d'un parell protó-electró.[34] [35] [36] [37] Heisenberg va demostrar que el neutró es va descriure millor com una nova partícula nuclear, [36] [37] però la seva naturalesa exacta no va quedar clara. A la seva Conferència Bakerian de 1933, Chadwick va estimar que un neutró tenia una massa d'aproximadament 1,0067 u. Com que un protó i un electró tenien una massa combinada de 1,0078 u, això implicava que el neutró com a compost protó-electró tenia una energia d'unió d'uns MeV, que sonava raonable, [38] encara que era difícil d'entendre com una partícula amb tan poca energia d'enllaç podia ser estable.[37] No obstant això, estimar una diferència de massa tan petita va requerir mesures precises difícils i es van obtenir diversos resultats contradictoris el 1933–4. En bombardejar el bor amb partícules alfa, Frédéric i Irène Joliot-Curie van obtenir un gran valor per a la massa d'un neutró, però l'equip d’Ernest Lawrence a la Universitat de Califòrnia en va produir un de petit.[39] Aleshores Maurice Goldhaber, un refugiat de l'Alemanya nazi i un estudiant graduat al Laboratori Cavendish, va suggerir a Chadwick que els deuterons podrien ser fotodesintegrats pels raigs gamma de 2,6 MeV de 208 Tl (llavors coneguts com a tori C"):

A partir d'aquest procés es podria determinar un valor precís de la massa del neutró. Chadwick i Goldhaber van provar això i van trobar que funcionava.[40] [41] [42] Van mesurar l'energia cinètica del protó produït com a 1,05 MeV, deixant la massa del neutró com la incògnita de l'equació. Chadwick i Goldhaber van calcular que eren 1,0084 o 1,0090 unitats atòmiques, depenent dels valors utilitzats per a les masses del protó i el deuteró.[43] [42] (El valor acceptat modern per a la massa del neutró és 1,00866 u.) La massa del neutró era massa gran per ser un parell protó-electró.[43]

Pel seu descobriment del neutró, Chadwick va rebre la Medalla Hughes de la Royal Society el 1932, el Premi Nobel de Física el 1935, la Medalla Copley el 1950 i la Medalla Franklin el 1951.[5] El seu descobriment del neutró va permetre produir elements més pesats que l'urani al laboratori mitjançant la captura de neutrons lents seguits de la desintegració beta. A diferència de les partícules alfa carregades positivament, que són repel·lides per les forces elèctriques presents en els nuclis d'altres àtoms, els neutrons no necessiten superar cap barrera de Coulomb i, per tant, poden penetrar i entrar als nuclis fins i tot dels elements més pesats com l'urani. Això va inspirar a Enrico Fermi a investigar les reaccions nuclears provocades per col·lisions de nuclis amb neutrons lents, treball pel qual Fermi rebria el Premi Nobel el 1938.[44]

Wolfgang Pauli va proposar un altre tipus de partícula el 4 de desembre de 1930 per explicar l'espectre continu de radiació beta que Chadwick havia informat el 1914. Com que no es podia explicar tota l'energia de la radiació beta, semblava que s'havia violat la llei de conservació de l'energia, però Pauli va argumentar que això es podria corregir si hi hagués una altra partícula no descoberta.[45] Pauli també va anomenar aquesta partícula neutró, però clarament no era la mateixa partícula que el neutró de Chadwick. Fermi el va canviar el nom de neutrino, italià per petit neutró.[46] El 1934, Fermi va proposar la seva teoria de la desintegració beta que explicava que els electrons emesos des del nucli es van crear per la desintegració d'un neutró en un protó, un electró i un neutrino.[47] [48] El neutrin podria explicar l'energia que faltava, però una partícula amb poca massa i sense càrrega elèctrica era difícil d'observar. Rudolf Peierls i Hans Bethe van calcular que els neutrins podien passar fàcilment a través de la Terra, de manera que les possibilitats de detectar-los eren escasses.[49][50] Frederick Reines i Clyde Cowan confirmarien el neutrins el 14 de juny de 1956 col·locant un detector dins d'un gran flux antineutrí d'un reactor nuclear proper.[51]

Liverpool[modifica]

L'any 1945 fou nomenat Cavaller per part del rei Jordi VI del Regne Unit.

Chadwick morí el 24 de juliol de 1974 a la ciutat de Cambridge.

Recerca científica[modifica]

Primera Conferència Solvay de 1933. Podem veure James Chadwick el primer per l'esquerra de la primera fila assegut al costat de Lise Meitner

Durant la seva estada a la Universitat de Cambridge va treballar al costat d'Ernest Rutherford en investigacions sobre l'emissió de raigs gamma per a materials radioactius. Així mateix també van estudiar plegats la transmutació d'elements a través del bombardeig amb partícules alfa i van investigar la naturalesa del nucli atòmic.

Entre les seves aportacions científiques es troben el descobriment del neutró, realitzat l'any 1932, i pel qual fou guardonat l'any 1935 amb el Premi Nobel de Física, així com del triti, realitzat en col·laboració amb Mark Oliphant, Paul Harteck i Ernest Rutherford.

Va col·laborar en el projecte anglès de la bomba atòmica col·laborant amb el físic polonès Joseph Rotblat, així com posteriorment en el Projecte Manhattan i, des de 1946, va ser assessor de la Comissió de l'Energia Atòmica de les Nacions Unides.

Reconeixements[modifica]

En honor seu s'anomenà el cràter Chadwick de la Lluna, a part que una muntanya de les illes Svalbard duu el seu nom, el Chadwickryggen.

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: James Chadwick
  • «James Chadwick» (en anglès). The Nobel Prize. The Nobel Foundation.
  1. «Ernest Rutherford». Figures in Radiation History. Michigan State University. Arxivat de l'original el 29 juny 2015. [Consulta: 3 juny 2014].
  2. Falconer, 2004.
  3. Oliphant, 1974.
  4. Brown, 1997, p. 3–5.
  5. 5,0 5,1 «James Chadwick – Biography». The Nobel Foundation. [Consulta: 21 abril 2013]. Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «Nobel» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  6. Rutherford i Chadwick, 1912.
  7. Brown, 1997, p. 6–14.
  8. Brown, 1997, p. 16–21.
  9. Chadwick, 1914.
  10. Chadwick i Ellis, 1922.
  11. 11,0 11,1 Weiner, 1969.
  12. Jensen, 2000, p. 88–90.
  13. Brown, 1997, p. 24–26.
  14. 14,0 14,1 APS News, 16, 5, 2007, pàg. 2. Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «APSNews» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  15. The Times, 25-07-1974.
  16. The Times, 15-01-1980.
  17. 17,0 17,1 Brown, 1997, p. 39.
  18. Brown, 1997, p. 43.
  19. Brown, 1997, p. 43–50.
  20. Brown, 1997, p. 58.
  21. 21,0 21,1 Brown, 1997, p. 73–76.
  22. «The History of the Cavendish». University of Cambridge, 13-08-2013. [Consulta: 15 agost 2014].
  23. Brown, 1997, p. 85.
  24. Brown, 1997, p. 92–93.
  25. 25,0 25,1 Brown, 1997, p. 95–97.
  26. Sublette, 2006.
  27. 27,0 27,1 Brown, 1997, p. 103–104.
  28. «Oral History interview transcript with Norman Feather, Session I». American Institute of Physics, Niels Bohr Library and Archives, 25-02-1971.
  29. Chadwick, 1932a.
  30. Chadwick, 1932b.
  31. Chadwick, 1933.
  32. Whaling, 2009, p. 8–9.
  33. Bacher i Condon, 1932.
  34. Heisenberg, 1932a.
  35. Heisenberg, 1932b.
  36. 36,0 36,1 Heisenberg, 1933.
  37. 37,0 37,1 37,2 Bromberg, 1971.
  38. Brown, 1997, p. 115–116.
  39. Heilbron i Seidel, 1989, p. 153–157.
  40. Goldhaber, 1934.
  41. Chadwick i Goldhaber, 1934.
  42. 42,0 42,1 Chadwick i Goldhaber, 1935.
  43. 43,0 43,1 Brown, 1997, p. 122–125.
  44. Brown, 1997, p. 125.
  45. Brown, 1997, p. 119–120.
  46. Close, 2012, p. 15–18.
  47. Fermi, 1968.
  48. Close, 2012, p. 22–25.
  49. Close, 2012, p. 26–28.
  50. Bethe, H; Peierls, R Nature, 133, 3362, 07-04-1934, pàg. 532. Bibcode: 1934Natur.133..532B. DOI: 10.1038/133532a0. ISSN: 0028-0836 [Consulta: free].
  51. Close, 2012, p. 37–41.