詹姆斯·查德威克

詹姆斯·查德威克爵士 （Sir James Chadwick，），英国物理学家，因于1932年发现中子而获1935年诺贝尔物理学奖。1941年，他为穆德委员会核武器报告的最后稿本执笔，这份报告促使美国政府开始积极进行核武器研究。第二次世界大战期间，他担任曼哈顿计划英国小组的组长。因对物理学的贡献，他于1945年在英格兰被册封为爵士。
生平.
查德威克在1911年毕业于曼彻斯特维多利亚大学，期间曾在“核物理之父”欧内斯特·卢瑟福的指导下进行研究。他毕业后留在曼彻斯特，继续在卢瑟福的指导下研究，并于1913年取得硕士学位。同年，他考获万国工业博览会皇家委员会颁发的。他决定前往柏林随汉斯·盖革研究β辐射。查德威克用盖革新开发的盖革计数器，成功证明β辐射的能谱为连续的，而非之前所认为的离散线。第一次世界大战爆发时，查德威克仍身处德国，之后四年，他被迫在柏林西边的鲁赫本拘留营中渡过。
战后，查德威克跟随卢瑟福到剑桥大学的卡文迪许实验室继续研究，并在卢瑟福的指导下于1921年6月在剑桥大学冈维尔与凯斯学院取得博士学位。卡文迪许实验室是当时世界上最重要的物理学研究中心之一，查德威克在此实验室担任了十多年助理研究主任，他在1932年发现中子并成功量度到其质量，他还预期中子会成为克制癌症的重要武器。查德威克于1935年离开卡文迪许实验室，前往利物浦大学担任物理学教授。他彻底改造了利物浦大学里陈旧的实验室，并通过安装回旋加速器，使利物浦成为核物理的重要研究中心。
第二次世界大战期间，查德威克承担了研发原子弹的合金管工程的部份研究工作，由于实验室所在地利物浦及周围地区正饱受纳粹德国空军轰炸，研究环境相当恶劣。魁北克协定签订之后，他的计划与美国的曼哈顿计划合并，他加入了英国小组，搬迁到洛斯阿拉莫斯国家实验室及华盛顿工作。期间，出乎所有人的意料，他获得了计划领导人莱斯利·格罗夫斯将军几乎完全的信任。由于他的贡献，他名列1945年1月1日的新年授勋名单，被封为爵士。同年7月，他亲临现场观看了三位一体核试。此后，他还曾出任联合国原子能委员会的英国科学顾问。对大科学趋势感到不快的查德威克于1948年就任剑桥大学冈维尔与凯斯学院院长，于1959年退休。
教育与早年.
詹姆斯·查德威克于1891年10月21日在英国柴郡博灵顿出生，为家中长子，其父约翰·约瑟·查德威克是绵纺工人，其母安妮·玛莉·诺利斯是家佣。查德威克是以其祖父詹姆斯之名命名。他的父母于1895年移居至曼彻斯特，他则留在博灵顿，由外祖父母照顾。他就读博灵顿十字小学，并取得曼彻斯特文法中学的奖学金，但由于奖学金外仍需缴付庞大的费用，所以他的家人拒绝了该校的奖学金，并把他送往曼彻斯特的中央男子文法学校就读，同时与父母团聚。那时他有了三名弟弟，名为哈利和赫伯特还有彼得；还有一名在婴儿期就去世了的妹妹。17岁时，他报考了两家大学的奖学金，都成功了。
查德威克选择前往曼彻斯特维多利亚大学升学，于1908年入学。他原本打算修读数学，但注册时却误选了物理学。他与当时大部份大学生一样在家居住，每天来回大学要走6.4公里的路。他在大学第一年末获颁赫金博特姆奖学金，支持他学习物理。当时的物理学系主任为欧内斯特·卢瑟福，他负责分派毕业研究的课题，他让查德威克去设计实验来比较两种不同辐射来源的能量。这样他们就能以一克镭辐射量来量度其他来源，而这个单位就是后来的标准单位居里。卢瑟福所建议的手法是行不通的——查德威克是知道这点的，可是他实在不敢对卢瑟福说——所以他只好继续努力，最终成功开发出所需要的方法。这次的实验结果成了查德威克的第一份学术论文，而卢瑟福也是这篇论文的共同作者，论文于1912年发表。他则在1911年以一级荣誉毕业。
查德威克开发完量度伽玛辐射的方法后，就转往量度各种气体及液体的伽玛射线吸收量。这次实验结果的论文，发表时列出的作者只有查德威克一人。他于1912年获颁理学硕士(MSc)学位，并获聘拜耳研究员。次年考获，因此能够前往欧洲大陆的大学进行学习与研究。查德威克于1913年决定前往德国柏林的，随汉斯·盖革研究β辐射。盖革新开发的盖革计数器比之前感光侦探法准确不少，查德威克就是凭着这仪器成功证明β辐射的能谱并非之前所认为的离散线，而是在某些区间出现高峰值的连续能谱。阿尔伯特·爱因斯坦在参观盖革的实验室时对查德威克说：“我能够解释这两种现象，但我不能够同时解释这两种现象。”β辐射的连续能谱在之后的多年仍未能被解释。
在第一次世界大战爆发后，查德威克仍在德国，在柏林附近的鲁赫本拘留营接受拘留，期间他获准在马槽中设立实验室，使用如辐射牙膏等临时物料进行实验。他在的协助下，着手研究磷的离子化及一氧化碳和氯气的光化学合成。他在康边停战协定生效时的1918年11月被释放，并回到了父母在曼彻斯特的家，为万国工业博览会委员会将之前四年的研究发现整理成文。
卢瑟福在曼彻斯特为查德威克提供了兼职的教学工作，让他能够继续研究。他研究过铂、银与铜的核电荷，并在实验中发现它们与原子数基本一致，误差在1.5 %之内。卢瑟福于1919年4月出任剑桥大学卡文迪许实验室的主任，查德威克则在数月后与他汇合。查德威克于1920年获颁克拉克·麦克斯韦奖学金，并于剑桥大学冈维尔与凯斯学院注册成为博士生。他论文的上半部是有关原子数的研究，而下半部则是关于原子核内核力的研究。他于1921年6月获颁博士学位。他于同年11月获聘为冈维尔与凯斯学院的院士。
研究员.
剑桥.
查德威克的克拉克·麦克斯韦奖学金于1923年期满，而下一位领得这份奖学金的是俄罗斯物理学家彼得·卡皮察。咨询委员会主席爵士安排查德威克出任卢瑟福的助理研究主任。这个职位的其中一项工作，就是协助卢瑟福挑选博士生。之后几年的博士生包括了约翰·考克饶夫、和马克·奥利凡特，他们后来都成了查德威克的亲密好友。由于很多学生都不知道自己想要研究甚么，所以卢瑟福与查德威克会为他们建议研究课题。其任内实验室新完成的所有论文都交由查德威克编辑。
查德威克于1925年邂逅爱琳·斯图尔特-布朗，她父亲是利物浦一名证券经纪员。两人于1925年8月成婚，伴郎是卡皮察。夫妇于1927年2月生下一对孪生女儿，名为祖安娜和朱迪斯。
在研究中，查德威克继续探究原子核。自旋在1925年被发现，这个概念让物理学家成功解释塞曼效应，但同时亦产生了解释不了的反常现象。当时认为原子核是由质子与电子所构成的，例如氮的质量数为14，因此按当时的理解，假定氮的原子核是由14个质子与7个电子。从这个构成可以得出正确的质量与电荷，但自旋却不对。
在1928年剑桥的β粒子与伽玛射线的研讨会中，查德威克重遇盖革。盖革带来了新改良的盖革计数器，是由他的博士后学生瓦尔特·米勒所改良的。战后查德威克就再也没有用过盖革计数器了，而当时剑桥在用的技巧倚赖闪烁现象，观测时需要靠人眼去看，所以引入新的盖革-米勒计数器可能对实验室而言是一大进步。但主要决点在于它同时探测到α、β及伽玛辐射，而卡文迪许实验室在实验上使用的一般是镭，但镭会同时发射这三种射线，因此并不适合查德威克原本想要使用的用途。然而，钋只会发射α射线，而莉泽·迈特纳从德国给查德威克送了0.5微居里（约）的钋。
瓦尔特·博特和他的学生赫伯特·贝克在德国用钋的α射线去轰击铍，从而得到一种不寻常的辐射。查德威克让他领有万国工业博览会奖学金的澳洲学生休·韦伯斯特，去复制他们的结果。多年来查德威克和卢瑟福在理论中假定了一种假想粒子，叫中子，它是没有电荷的假想核子，对查德威克而言，这种新的辐射就是中子存在的证据。费瑟在1932年2月促使查德威克去注意另一项出乎意料的实验结果。弗雷德里克和伊雷娜·约里奥-居里用钋和铍所得的辐射成功将石蜡的质子击走，他们认为这种辐射是伽玛射线。但卢瑟福与查德威克并不同意这点；他们认为质子对伽玛射线而言实在太重了。但中子只需少量的能量就能达到相同的效果。远在罗马的埃托雷·马约拉纳也得出同样的结论：约里奥-居里夫妇发现了中子却不知道。
为了能集中精神证明中子的存在，查德威克推掉了所有的职务进行研究，不时在深夜工作。他设计了一套简单的仪器，是一条圆柱体，里面装着作为射线来源的钋和作为轰击目标的铍。然后把所得的辐射指向各种物料，如石蜡；然后被击中的粒子，即质子，会进入小的，可以用示波器观测到里面的质子。
在开始中子实验后只有两星期的1932年2月，查德威克向《自然》发了一篇快报，题为《论中子存在的可能性》。他在5月将发现的详细内容以论文的形式在皇家学会报告A系列发表，题为《论中子的存在》。他的发现是对核子理解的里程碑。读完查德威克的论文后，爱德华·康登和罗伯特·巴彻意识到若中子的自旋为1/2，且氮是由七个质子及七个中子组成的话，就能解释当时理论中与实验不符之处，例如氮的自旋。
理论物理学家尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡坚信中子一定是核子，而不是质子─电子对。查德威克在论文中估算中子约重。由于质子与电子加起来则重，因此意味着束缚力约为，而这个大小听上去合理。之后，一名纳粹德国的难民兼卡文迪许实验室研究生，提出氘的光致蜕变可由伽玛射线引发：
查德威克和戈德哈伯试验过，并发现这是可行的。他们量度出质子的动能为1.05 MeV，那么方程式中唯一未知的质量就是中子的质量。查德威克计算出的中子质量在1.0077与1.0086原子质量单位之间。经由用α粒子轰击硼，弗雷德里克和伊雷娜·约里奥-居里得出较高的中子质量值，但欧内斯特·劳伦斯在加州大学的队伍则得出较低的中子质量值。其后的实验证明了约里奥-居里夫妇的数值最佳。中子的质量太大，不可能是质子─电子对，因此必须是其他东西，这样同时支持了玻尔和海森堡的理论，即中子是一种新的核子。为表扬他对中子的发现，查德威克于1932年获英国皇家学会授予休斯奖章，1935年获诺贝尔物理学奖，1950年获科普利奖章及1951年获富兰克林奖章。
由于查德威克发现了中子，因此在实验室合成比铀重的元素变得可行，这种合成是通过慢中子捕获及其后的β衰变来完成的。跟α粒子不同的是，中子不带电荷，而α粒子则带正电荷，因此会被其他原子核的电力排斥，而中子则不需穿越这样的一个库仑障壁，并因此甚至能够穿透及进入最重的原子核（例如铀）。这点启发了恩里科·费米去研究中子及原子核碰撞所带来的核反应，最终费米凭这项研究获得了诺贝尔物理学奖。查德威克在1914年所报告的β辐射连续能谱，于1930年由沃尔夫冈·泡利借助另一种中性假想粒子解决，这种粒子在1934年被费米命名为中微子。
利物浦.
英国陷入大萧条后，政府对科学领域的拨款日渐缩水。与此同时，劳化斯新发明的回旋加速器很可能对实验核物理学带来革命性的发展，查德威克觉得卡文迪许实验室有必要添置这种仪器以免落人后尘。但卢瑟福坚持认为，这些庞大而又贵重的设备并非做好实验核物理的必要条件，所以回绝了购买申请，这让身为下属的查德威克深感恼火。
查德威克本人总的来说是大科学的批判者，他尤其对劳伦斯不满，认为他的手法轻率，以科学之名谋取技术。劳伦斯在1933年的索尔维会议提出一项假想，他声称存在一种带无限能量的新未知粒子，那时查德威克则回应说这更有可能只是出于设备污染而已。劳伦斯回到柏克莱重新检查结果，不料发现查德威克是正确的，与此同时，卢瑟福与奥利凡特在卡文迪许的研究发现氘能透过聚变生成氦-3，由此引起劳伦斯所观测到的讯号。这是一项重大发现，但奥利凡特-卢瑟福粒子加速器当年是昂贵的先进设备。
查德威克于1935年3月受到了位于她太太老家的利物浦大学的邀请，希望他能出任里昂·琼斯讲座教授，接替退休的。当时那里实验室过时到还在用直流电运作，但查德威克把握了这个机会，于1935年10月1日就任。诺贝尔委员会在他就任后不久的1935年11月宣布查德威克获得该年的物理学奖，因此提升了新任职大学的声誉。查德威克的诺贝尔奖章于2014年在拍卖中以329,000美元之价售出。
查德威克着手为利物浦添置回旋加速器。他首先用700英镑将过时的利物浦实验室翻新，这样就能在实验室自制一些元件。他成功说服大学提供2,000英镑，又从英国皇家学会取得另外2,000英镑的拨款。为了建造回旋加速器，查德威克带来了两名年青的专家，伯恩哈德·金赛和哈罗德·瓦尔克，他们都曾在加州大学与劳伦斯工作过。一家本地的电缆生产商捐出了线圈所需的铜电导体。回旋加速器的50公吨磁铁则由位于曼彻斯特近郊的公司制造，而真空室也是由这家公司制造。回旋加速器于于1939年7月安装完成并开始运作。总费用为5,184英镑，比查德威克从大学及皇家学会领回来的多，因此余下的查德威克用他的诺贝尔奖金支付，该笔奖金全数为159,917瑞典克朗（8,243英镑）。
利物浦的医学院与理学院之间有着紧密的合作。查德威克自动成为这两所学院的委员，而他在1938年获聘入由带领的委员会，调查利物浦治疗癌症的安排。查德威克预料37英吋回旋加速器所生产的放射性同位素及中子，将会用于生化过程的研究，及可能成为对抗癌症的武器。
第二次世界大战.
合金管及铀引爆军事应用委员会报告.
奥托·哈恩和在德国以中子轰击铀，发现产物中出现一种较轻的元素钡。而至当时为止，这种过程只会生成同样重或较重的元素。迈特纳和她的外甥奥托·罗伯特·弗里施于1939年1月发表了一篇解释这个实验结果的论文，震惊了物理学界。他们用了玻尔的液滴模型，来说明铀在中子的轰击下是如何分成两块大致相等的碎片，他们把这个过程叫做裂变。他们计算出这个过程所释放的能量约为200 MeV，即是比化学反应的能量要大上好几过数量级，而弗里施很快就用实验证实了他们的理论。不久之后哈恩就指出如果裂变中会释放出中子的话，那么就有可能形式链式反应。法国科学家、和很快就核实了每次裂变确实会生成多于一个中子。玻尔在一份与美国物理学家约翰·惠勒合作撰写的论文中，阐明同位素铀-235较有可能产生裂变，而铀-235只占天然铀的0.7%。
查德威克并不相信1939年会有可能再与德国开战，于是他把家人带到瑞典北部一个遥远的湖边渡假。因此第二次世界大战爆发的消息对他来说是一大震惊。决心不要在拘留营中渡过战争，查德威克以最快的速度前往斯德哥尔摩，但当他与家人到达时，所有连接斯德哥尔摩与伦敦的空中交通已被中止。他们一家最终乘坐不定期货船回到英国。当他到达利物浦时，他碰到一名从波兰来作回旋加速器研究的博士后研究员约瑟夫·罗特布拉特，由于从波兰来的拨款断了，所以他衣食无着。查德威克随即聘任罗特布拉特为讲师，尽管他当时的英语很差。
查德威克于1939年10月收到一封从科学及工业研究部部长爱德华·阿普尔顿爵士的信件，请教他对原子弹可行性的意见。查德威克谨慎地回了信。他并没有排除原子弹的可能性，但是他还是很详细地考虑了各个在理论及实践上的有关难处。查德威克决定与罗特布拉特去进一步研究氧化铀的性质。奥托·弗里施和伯明翰大学的鲁道夫·佩尔斯在1940年3月于发表了一篇重新考虑原子弹理论问题的论文，这就后来的《弗里施-佩尔斯备忘录》。他们考虑的不是铀金属，而是一块球状的纯铀-235所会发生的事，并发现不单会形成链式反应，而且所需的铀-235可以少至1公斤，就能发挥数公吨炸药的威力。
在的辖下组成了特别委员会去进一步研究此事，名为穆德委员会。主席为乔治·汤姆孙，创会委员包括查德威克，还有马克·奥利凡特、约翰·考克饶夫和。其他小组在研究铀浓缩的同时，查德威克在利物浦的小组则专注于断定铀-235的核截面。到1941年9月，已经确定了铀-235的临界质量可能在8公斤或以下。而在他研究这个课题的同时，纳粹德国空军几乎没有中断地轰炸利物浦实验室的周围，因此事情变得复杂化；由于窗户一而再再而三地被炸掉，所以只好把玻璃窗换成纸板窗。
查德威克于1941年被选定为铀引爆军事应用委员会报告最后一稿的作者，而万尼瓦尔·布什向美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福汇报了这份报告后，启迪了美国政府去豪掷数百万美元来开发原子弹。和哈罗德·尤里到访英国视察其开发计划（即后来的合金管工程）的情况，那时查德威克就已经能够对他们说：“我真希望可以告诉你们原子弹不可行，但我现在有九成把握它会成功。”
在最近一本关于原子弹计划的书写道，“没有科学家比查德威克更尽力为邱吉尔造原子弹……这次考验把查德威克推到几近崩溃的边缘”，查德威克担忧至不能入睡，只好靠安眠药入睡，而他差不多余生都在服安眠药。查德威克后来说他意识到“原子弹不单是可行的──而且是无可避免的。迟早我们不会觉得这些主意奇怪。此后不久每个人都会在想这些主意，最后总会有国家将之付诸实行”。赫尔曼·邦迪爵士指出还好当时英国的首席物理学家是查德威克，而不是卢瑟福，因为否则卢瑟福的声望很可能会盖过查德威克对原子弹前景“向前看”的主张。
曼哈顿计划.
查德威克一家为了让孪生女儿免于高空轰炸中受难，所以让她们加入政府的疏散计划前往加拿大。而查德威克则认为在英国设置同位素分离厂比较适合，所以并不愿意把管合金计划迁往加拿大。但这场计划之浩大到了1942年时就变得更加明显：一座同位素分离厂的试点就要价超过一百万英镑，这个价格就已经足够让英国的资金感到吃力，但这还不是全套的同位素分离厂，而全套的价格约在二百五十万英镑左右。因此一定要在美国兴建。与此同时英方已经确信这个计划必需有跨国的合作，而美方的进度超前，使得与英方的合作看起来并不是如此的重要，尽管美方还是渴望可以利用查德威克的才干。
合作一事必需经过最高长官的同意。英国首相温斯顿·邱吉尔与美国总统罗斯福于1943年9月签订魁北克协定，恢复英国、美国与加拿大三国间的合作。管合金工程负责人派遣查德威克、奥利凡特、佩尔斯与弗朗西斯·西蒙前往美国协助曼哈顿计划。魁北克协定确立了一个新的联合政策委员会，负责指挥联合计划。由于美方不喜欢埃克斯，所以由查德威克出任联合政策委员会的技术顾问，以及英方代表。
查德威克让罗特布拉德留在利物浦当负责人，自己则于1943年11月开始视察曼哈顿计划的各处设施，而唯一没去的是生产钚的汉福德区，因为美方不准他看。他成为了除格罗夫斯和他的副手以外唯一一个可以进入美国所有铀原子弹研究及生产设施的人。查德威克在视察过位于田纳西州橡树岭K-25气体扩散设施之后，意识到他之前想要在战时英国兴建这种厂房是多么错的一件事。那种大小的厂房是不可能避过纳粹德国空军的注意。他在1944年初与妻子和现在带加拿大口音的孪生女儿迁往新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯。由于保安理由，所以他有个假名，叫詹姆斯·查菲。
查德威克认同美方不需要英方的帮助，但能让计划提早及成功完成终究还是有用的。他与曼哈顿计划的总指挥莱斯利·理查德·格罗夫斯少将紧密合作，同时又尽其所能去支援这个计划。他亦尽力安置英国科学家参与尽量多的计划范畴，这样做是为了促进他有份的英国战后核武器计划。格罗夫斯经查德威克给某科学家加入曼哈顿计划的邀请，都会被其现正任职的公司、政府部门或大学立即拒绝，但是最终都因为管合金拥有绝对人事优先权而克服。因此，英国团队对计划的成功有着决定性的功劳。
尽管查德威克对计划所知的比任何一个英国来的人都要多，但是他还是无法进入汉福德区。波特尔子爵于1946年获邀参观汉福德区，“这是唯一一个查德威克不能进入的厂区，于是他这时就问格罗夫斯他能否陪同波特尔。格罗夫斯回答说可以，但是如果他去的话，‘波特尔不会看到很多’。”由于他的功劳，所以他在1945年1月1日的新年授勋及嘉奖中获册封为爵士。他认为这是对整个管合金工程成果的肯定。
查德威克在1945年初的大部份时间都在华盛顿哥伦比亚特区，因此他的家人于1945年4月从洛斯阿拉莫斯搬迁至华盛顿杜邦圆环上的一所房子。英国元帅亨利·梅特兰·威尔逊在同年7月4日的联合政策委员会会议上代表英国同意向日本投掷原子弹，那时查德威克也在场。原子弹的弹芯里有一个钋─铍，而查德威克在十多年前也用过同样的技术来发现中子，只是点火器的技术经过改良而已。《纽约时报》曼哈顿计划记者写道：“历史在他之前还没有人能活着见到自己的发现实体化时会从此改变人类的命运。”
晚年.
战后不久，查德威克获任命为原子能咨询委员会委员。他亦获任命为联合国原子能委员会的英国科学顾问。他与原子能咨询委员会同事帕特里克·布莱克特的意见冲突，因为他不认同查德威克主张英国需要自己的原子弹；但查德威克的立场最终获得接纳。他于1946年回到英国，那时英国仍被战时配给及短缺所困扰。
利物浦大学校长詹姆斯·芒福德在日记中表示，自己“从未见过一个（像查德威克那样）‘身心俱疲的人’”，因为“他在道德决策的泥潭中所陷如此之深，对于那些更为幸运的人们来说，这种深度是他们从来没有经历甚至想象过的……［他也因此深受其苦］……他的科学研究所产生的责任感也给他带来近乎无法忍受的痛苦。”
查德威克于1949年获邀出任冈维尔与凯斯学院的院长。这个职位颇具名望，但职务范围相当不清；院长是学院名义上的首长，但权力实际上属于院务委员会，而委员会则是由包括院长在内的十三位院士所组成。作为院长，查德威克力求提高学术的学术声誉。他将学院的研究员职位数量从31个提升至49个，并寻求人才加入学院。此举包括了多项具争议性的措施，例如在1951年聘用中国生物化学家曹天钦及生于匈牙利的经济学家。由带领的院士们在一次后来被称为农民起义的事件中，投票将一名查德威克的老朋友逐出院务委员会，并由鲍尔取代其位置。更多查德威克的朋友在往后的几年遭到开除，他本人也于1958年11月退休。冈维尔与凯斯学院的博士学生弗朗西斯·克里克，和詹姆斯·沃森就是在他出任院长的期间，发现了脱氧核糖核酸的双螺旋结构。
查德威克历年来获得多项荣誉，包括美国的和德国的功勋勋章。他在1970年1月因“科学服务”而在新年授勋及嘉奖中获名誉勋位，并到白金汉宫出席授勋仪式。他在1974年7月24日在睡梦中去世。剑桥的保留了查德威克的各样文件，可供公众查阅。利物浦大学的查德威克实验室就是以他命名的，还有在1991年作为纪念他百年诞辰活动的一部份，利物浦大学设立了詹姆斯·查德威克爵士实验物理学讲座教授一职。月球上有一个以他命名的查德威克环形山。英国原子能的官方历史学家将他形容为“一个物理学家，一个科学外交家，同时又是一个既有智慧又有高尚道德的好人。”