Μεγάλα μυαλά: Τζέιμς Τσάντγουικ

Ο Σερ Τζέιμς Τσάντγουικ (James Chadwick, 20 Οκτωβρίου 1891 – 24 Ιουλίου 1974) ήταν Άγγλος φυσικός, ο οποίος τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1935 για την ανακάλυψη του νετρονίου.

Φωτογραφία: By Los Alamos National Laboratory – Los Alamos National Laboratory, Attribution, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36283260
Ο Τζέιμς Τσάντγουικ γεννήθηκε στο Μπόλινγκτον (Bollington) του Τσεσάιρ της Αγγλίας στις 20 Οκτωβρίου 1891, πρώτο παιδί της οικογένειας του Τζόζεφ Τσάντγουικ και της Ανν – Μέρι Νόουλς (Anne Mary Knowles). Παρακολούθησε μαθήματα αρχικά στο δημοτικό και Γυμνάσιο του Μπόλινγκτον και στη συνέχεια στο Λύκειο του Μάντσεστερ.
Το 1908 εισήλθε στο Πανεπιστήμιο της πόλης (Victoria University). Αρχικά σκόπευε να σπουδάσει μαθηματικά, αλλά κατά λάθος γράφτηκε στο τμήμα φυσικής απ’ όπου αποφοίτησε το 1911 με πτυχίο στη Φυσική. Τα επόμενα δύο χρόνια εργάστηκε στο Εργαστήριο Φυσικής με τον καθηγητή του (αργότερα Λόρδο) Έρνεστ Ράδερφορντ όπου ασχολήθηκε με διάφορα προβλήματα ραδιενεργών ακτινοβολιών.
Πήρε το μάστερ του το 1913 και το ίδιο έτος έλαβε υποτροφία για να μεταβεί στη Γερμανία και συγκεκριμένα στο Σαρλότενμπουργκ κοντά στο Βερολίνο, στο Physikalisch Technische Reichsanstalt όπου είχε καθηγητή τον Χανς Γκάιγκερ (Hans Geiger). Οι σπουδές του διακόπηκαν με το ξέσπασμα του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου: Είχε υπηκοότητα αντίπαλης δύναμης και εγκλείστηκε στο στρατόπεδο Zivilgefangenenlager του Ρουλέμπεν (Ruhleben) περίπου 10 χλμ. από το κέντρο του Βερολίνου, όπως έγινε για όλους τους πολίτες των αντιπάλων δυνάμεων που βρέθηκαν στην Γερμανία για σπουδές, εργασία ή διακοπές.
Εκεί του δόθηκε η δυνατότητα να δημιουργήσει ένα πρόχειρο εργαστήριο στους στάβλους του στρατοπέδου. Εγκλεισμένος στο ίδιο στρατόπεδο ήταν και ο επίσης φυσικός Τσαρλς Έλλις (Charles Drummond Ellis), με τον οποίο συνεργάστηκαν πάνω στον ιονισμό του φωσφόρου και στην φωτοχημική αντίδραση μονοξειδίου του άνθρακα και χλωρίου.
Το 1919 ο Τσάντγουικ επέστρεψε στην Αγγλία και άρχισε πάλι να συνεργάζεται με τον Ράδερφορντ, αυτή τη φορά στο “Cavendish Laboratory” του Κέμπριτζ. Εκεί το 1923 κατέλαβε τη θέση του αναπληρωτή διευθυντή ερευνών. Ο Ράδερφορντ εργαζόταν πάνω στη διάσπαση των πυρήνων αζώτου ύστερα από βομβαρδισμό τους με ακτινοβολία β και ο Τσάντγουικ ασχολήθηκε με τη διάσπαση άλλων πυρήνων και ιδιαίτερα του βηρυλλίου, καθώς επίσης και τις εκπομπές ακτινοβολίας γ κατά τη διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων. Κατά τη διάρκεια των ερευνών του ταυτοποίησε το πρωτόνιο ως συστατικό του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου και συστατικό των πυρήνων όλων των άλλων ατόμων.
Το 1925 ο Τσάντγουικ νυμφεύτηκε την Αϊλόν Στιούαρτ-Μπράουν (Aileen Stewart-Brown) από το Λίβερπουλ. Απέκτησαν δύο δίδυμες κόρες και η οικογένεια εγκαταστάθηκε στο Ντένμπιχ (Denbigh) της Βόρειας Ουαλίας. Στον ελεύθερο χρόνο του ο Τσάντγουικ αγαπούσε την ενασχόληση με την κηπουρική και το ψάρεμα.
Η ανακάλυψη του νετρονίου
Η ενασχόλησή του με τη διάσπαση των ατόμων βηρυλλίου τελικά τον οδήγησε, το 1932, στην ανακάλυψη του νετρονίου. Η παρατήρηση βομβαρδισμού βηρυλλίου με ακτινοβολία α είχε ξεκινήσει ήδη από το 1928, με πειράματα από τον Γερμανό Βάλτερ Μπότε, που πειραματιζόταν επίσης με βηρύλλιο. Αυτός είχε παρατηρήσει ότι ο βομβαρδισμός του βηρυλλίου έδινε πυρήνες άνθρακα συνοδευόμενους από μια εξαιρετικά διεισδυτική ακτινοβολία, την οποία χαρακτήρισε ως ακτινοβολία γ.
Λίγο αργότερα οι Ιρέν Κιουρί (Irène Curie) και Φρεντερίκ Ζολιό (Frédéric Joliot) παρατήρησαν ότι η ακτινοβολία αυτή ήταν ικανή να αποσπάσει πρωτόνια όταν προσέπιπτε σε παραφίνη. Κατέληξαν στο τελικό συμπέρασμα ότι η άγνωστη ακτινοβολία ήταν ακτινοβολία γ. Ο Τσάντγουικ διαφωνούσε με το συμπέρασμα και ο Ράδερφορντ τον ενθάρρυνε σε αυτή τη διαφωνία του. Τότε ο Τσάντγουικ, επειδή το νετρόνιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο και οι τυπικές ηλεκτρομαγνητικές μέθοδοι ανίχνευσης ήταν άχρηστες, σκέφτηκε κάτι διαφορετικό: Αποφάσισε να βομβαρδίσει με αυτή την ακτινοβολία πυρήνες με γνωστή μάζα. Χρησιμοποιώντας τις αρχές διατήρησης της ορμής και της ενέργειας και μετρώντας ύστερα από τη σύγκρουση τις ταχύτητες των γνωστής μάζας πυρήνων, έφθασε τελικά στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία αυτή αποτελείτο από σωματίδια ίδιας μάζας με το πρωτόνιο, αλλά χωρίς ηλεκτρικό φορτίο.
Το νετρόνιο είχε ανακαλυφθεί.
Με την ανακάλυψη του νετρονίου ως θεμελιώδους σωματιδίου, εξηγήθηκαν τελικά πολλά από τα ως τότε παράδοξα στη Φυσική και στη Χημεία, ενώ άνοιξαν νέοι δρόμοι έρευνας. Πριν την ανακάλυψή του η επιστημονική κοινότητα γενικά είχε την αντίληψη ότι ο πυρήνας αποτελείτο από πρωτόνια και “πυρηνικά ηλεκτρόνια”. Αυτή η αντίληψη, όμως, δεν εξηγούσε τη στροφορμή του πυρήνα.
Με τη νέα αντίληψη, οι ιδιότητες του πυρήνα ήταν πολύ πιο εύκολα εξηγήσιμες. Επειδή το νετρόνιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, μπορεί εύκολα να αλληλεπιδράσει με πυρήνες. Η σκέδαση νετρονίων δίνει τη δυνατότητα του ακριβούς προσδιορισμού των κρυσταλλικών δομών. Τα νετρόνια μπορούν, επίσης, να δράσουν ως “καταλύτες” σε πυρηνικές αντιδράσεις, όπως συμβαίνει με τη διάσπαση των πυρήνων ουρανίου όταν βομβαρδίζονται με νετρόνια.
Η ανακάλυψη αυτή οδήγησε τόσο στην δημιουργία της ατομικής βόμβας όσο και στην κατασκευή εργοστασίων και μεταφορικών μέσων (πλοία, υποβρύχια) που χρησιμοποιούν ατομική ενέργεια.
Βραβεύσεις
Για την ανακάλυψή του αυτή ο Τσάντγουικ τιμήθηκε με το μετάλλιο Χιουζ (Hughes Medal) της Βασιλικής Εταιρείας (Royal Society) to 1932 (ήταν ήδη μέλος της από το 1927) και, το 1935 του απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής.
Στο Κέμπριτζ παρέμεινε ως το 1935, οπότε και εκλέχτηκε τακτικός καθηγητής στην έδρα Λάιον Τζόουνς της Φυσικής (Lyon Jones Chair of Physics) στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ. Κατά την περίοδο 1943 – 1946 ο Τσάντγουικ μετέβη στις ΗΠΑ όπου εργάστηκε, ως επικεφαλής της Βρετανικής αποστολής, στο Σχέδιο Μανχάταν για την κατασκευή της πρώτης ατομικής βόμβας.
Το 1945 ο Τσάντγουικ χρίστηκε Ιππότης και έλαβε τον τίτλο του «Σερ» (Sir). Επέστρεψε στην Αγγλία και το 1948 αποσύρθηκε από την ενεργή διδασκαλία στο Λίβερπουλ και εκλέχτηκε Διευθυντής στο Κολλέγιο Γκόνβιλ και Κάιους (Gonville and Caius College) του Κέμπριτζ. Το 1950 του απονεμήθηκε το Μετάλλιο Κόπλεϊ (Copley Medal) και το 1951 το Μετάλλιο Φράνκλιν (Franklin Medal) του Ιδρύματος Φράνκλιν της Φιλαδέλφεια. Στη θέση του διευθυντή παρέμεινε ως το 1959.
Από το 1957 ως το 1962 ήταν ημιαπασχολούμενο μέλος της Αρχής Ατομικής Ενέργειας του Ηνωμένου Βασιλείου. Ονομάστηκε επίτιμος διδάκτορας από τα πανεπιστήμια του Ρίντινγκ, του Δουβλίνου, του Ληντς, της Οξφόρδης, του Λίβερπουλ και του Εδιμβούργου.
Ονομάστηκε επίσης, μέλος αρκετών ξένων Ακαδημιών, όπως της Βασιλικής Ακαδημίας του Βελγίου (Académie Royale de Belgique), της Δανίας (Kongelige Danske Videnskabernes Selskab), της Ολλανδίας (Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen), αντεπιστέλλον μέλος της Sächsische Akademie der Wissenschaften της Λειψίας, μέλος της Pontificia Academia Scientiarum του Ιδρύματος Φράνκλιν και επίτιμο μέλος των American Philosophical Society και American Physical Society.
Ο Τζέιμς Τσάντγουικ απεβίωσε στις 24 Ιουλίου 1974 στο Κέμπριτζ.
wikipedia