Σαν σήμερα στη ΧΗΜΕΙΑ : 24 Ιουλίου

Ο Άγγλος φυσικός Sir James Chadwick πέθανε σαν σήμερα το 1974

Έλαβε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1935 για την ανακάλυψη του νετρονίου, ενός υποατομικού σωματιδίου με μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα νετρόνια βρίσκονται στον πυρήνα όλων των στοιχείων (εκτός από το υδρογόνο) μαζί με τα πρωτόνια, τα οποία φέρουν θετικό φορτίο.

Όταν ένα νετρόνιο χτυπήσει έναν πυρήνα Ουρανίου-235 προκύπτει ραδιενεργός διάσπαση με προϊόντα Κρυπτο-92 , Βάριο-141 και 3 νετρόνια. Τα τρία αυτά νετρόνια απορροφούνται από τρία άλλα άτομα Ουρανίου-92 και έτσι προκύπτει η πυρηνική βόμβα.

Ο Σερ Τζέιμς Τσάντγουικ (James Chadwick, 20 Οκτωβρίου 1891 – 24 Ιουλίου 1974) 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). 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, 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 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.

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.

Η ανακάλυψη του νετρονίου

Η ενασχόλησή του Τσάντγουικ 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 Irène Joliot-Curie (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. 

Ένα σχηματικό διάγραμμα του πειράματος που χρησιμοποιήθηκε για την  ανακάλυψη του νετρονίου το 1932. Αριστερά, μια πηγή πολωνίου χρησιμοποιήθηκε για την ακτινοβόληση του βηρυλλίου με σωματίδια άλφα, τα οποία προκάλεσαν μια μη φορτισμένη ακτινοβολία. Όταν αυτή η ακτινοβολία έπληξε το κερί παραφίνης, εκδιώχθηκαν τα πρωτόνια . Τα πρωτόνια παρατηρήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα μικρό θάλαμο ιοντισμού. Προσαρμοσμένη από τον Chadwick (1932).

Υπό: Bdushaw - Own work, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

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.

Η δομή κουάρκ του νετρονίου. Υπάρχουν δύο κάτω
κουάρκ σε αυτό και ένα up quark. Η ισχυρή δύναμη
διαμεσολαβείται από τα γλουόνια (τα κύματα). Η ισχυρή
δύναμη έχει τρεις τύπους χρεώσεων, το λεγόμενο κόκκινο,
 πράσινο και μπλε. Σημειώστε ότι η επιλογή του μπλε για
 το up quark είναι αυθαίρετη. το "χρωματικό φορτίο"
θεωρείται ότι κυκλοφορεί μεταξύ των τριών κουάρκ.

CC BY-SA 2.5, Wikimedia Commons

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.

Από τη: Royal Society of Chemistry (RSC) και τη Wikipedia, the free encyclopedia: James Chadwick, Discovery of the neutron και τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια: Τζέιμς Τσάντγουικ
Εικόνες: By BruceBlaus - Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33041232
By Bdushaw - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63982002
By No machine-readable author provided. Harp assumed (based on copyright claims)., CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=637381

Σαν σήμερα στη ΧΗΜΕΙΑ :  24 Ιουλίου

Η προηγούμενη μέρα                      Όλο το Καλοκαίρι                     Η επόμενη μέρα