Jak powstała bomba atomowa

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

***

3 czerwca 1920 roku Ernest Rutherford wygłosił Bakerian Lecture (wykład imienia Bakera) na forum Londyńskiego Towarzystwa Królewskiego[56]. Już po raz drugi został zaproszony do wygłoszenia tego zaszczytnego wykładu. Skorzystał z okazji, by podsumować ówczesny stan wiedzy o „strukturze jądra” oraz omówić odkryty rok wcześniej proces przemiany atomu azotu. Był to przegląd ważnych osiągnięć, typowy dla takiego uroczystego spotkania. Rutherford postanowił jednak złamać konwencję, wybiec w przyszłość i zastanowić się nad możliwością istnienia trzeciego, poza protonem i elektronem, ważnego składnika atomu. Mówił o „możliwości istnienia atomu o masie 1 z zerowym ładunkiem elektrycznym”. Przypuszczał, że atom o takiej strukturze jest w pełni realny; nie miała to być nowa cząstka elementarna, ale kombinacja istniejących, elektronu i protonu, ściśle ze sobą związanych i tworzących nieznaną obojętną cząstkę.

„Taki atom – ciągnął Rutherford ze zwykłą sobie przenikliwością – miałby zupełnie nowe własności. Pole elektryczne takiego atomu byłoby praktycznie zerowe, z wyjątkiem bezpośredniego otoczenia jądra, a zatem mógłby swobodnie poruszać się w materii. Jego obecność byłoby zapewne trudno wykryć za pomocą spektrometru i nie można byłoby go utrzymać w szczelnym naczyniu”. Takie byłyby osobliwości owego atomu, ale właśnie dzięki nim mógłby znaleźć wyjątkowe zastosowanie: „Z drugiej strony, powinien łatwo wnikać do wnętrza atomów i albo łączyć się z jądrem, albo rozpadać w silnym polu”[57]. Obojętna cząstka, gdyby taka istniała – neutron – mogłaby być najskuteczniejszym narzędziem w badaniu jądra atomowego.

Obecny na wykładzie James Chadwick, asystent Rutherforda, uznał, że nie zgadza się z szefem. Chadwick miał wówczas dwadzieścia dziewięć lat[58]. Studiował w Manchesterze i w ślad za Rutherfordem przyjechał do Cambridge. Miał już duże osiągnięcia – jako młody człowiek, zdaniem dwóch kolegów, miał dorobek „właściwie nie gorszy od Moseleya”[59]. Wojnę światową przesiedział w niemieckim obozie internowanych, co nie wyszło mu na zdrowie. Wyszedł zeń straszliwie wynudzony i marzył o podjęciu nowych prac w fizyce jądrowej. Cząstka obojętna byłaby prawdziwym cudem, ale Chadwick przypuszczał, że Rutherford wymyślił ją sobie na podstawie bardzo kruchych dowodów.

Tej zimy przekonał się, że był w błędzie. Rutherford zaprosił go do udziału w pracy, której celem było zbadanie zachowania cięższych pierwiastków w takim samym doświadczeniu, jakie doprowadziło do odkrycia przemiany azotu. Chadwick już wcześniej usprawnił liczenie scyntylacji przez zastosowanie mikroskopu (który zbierał więcej światła) i uściślenie procedury doświadczalnej. Znał oprócz tego chemię i mógł wyeliminować ewentualne zanieczyszczenia wodorem, które nadal niepokoiły Rutherforda. „Sądzę, że chciał także mieć kogoś – powiedział Chadwick wiele lat później w okolicznościowym wykładzie – kto towarzyszyłby mu w żmudnym liczeniu w ciemnościach i słuchał jego hałaśliwego wykonania «Naprzód, żołnierze Chrystusa» [...]”[60].

„Przed doświadczeniem – powiedział kiedyś Chadwick – zanim rozpoczęliśmy obserwacje, musieliśmy przyzwyczaić się do ciemności, przystosować do niej oczy; mieliśmy w pokoju boks, do którego wchodziliśmy, a w tym czasie technik Crowe, osobisty asystent Rutherforda, przygotowywał aparaturę. To znaczy przynosił z pokoju radowego źródło promieniotwórcze, wkładał je do aparatu, usuwał z aparatu powietrze albo go czymś wypełniał, wkładał różne źródła i robił wszystko, co uzgodniliśmy. A my siedzieliśmy w tym ciemnym boksie mniej więcej przez pół godziny, no i oczywiście rozmawialiśmy”. Rozmawiali między innymi o Bakerian Lecture Rutherforda. „I właśnie wtedy uświadomiłem sobie, że obserwacje, o których sądziłem, że są błędne (i jak się później okazało, były błędne), nie mają w istocie nic wspólnego z koncepcją neutronu, naprawdę nic. Po prostu Rutherford skorzystał z tej okazji, żeby przedstawić swoją koncepcję, o której myślał już od dłuższego czasu”.

Większości fizyków odpowiadała pozornie pełna symetria dwóch cząstek, elektronu i protonu, jednej z ładunkiem ujemnym, drugiej z dodatnim. Do wyjaśnienia zjawisk zachodzących na zewnątrz atomu – na przykład w zjonizowanej materii tworzącej wiązkę promieni w rurze wyładowczej – dwie cząstki elementarne wystarczały. Ale Rutherford zastanawiał się nad budową dowolnego pierwiastka. „Zadał sobie pytanie – ciągnie dalej Chadwick – i nadal je stawiał, jak są zbudowane atomy, jak, u licha, dostać – według powszechnie panującej w tym czasie koncepcji jądro atomu miało się składać z protonów i elektronów [...], jak, u licha, zbudować wielkie jądro z dużym dodatnim ładunkiem. Odpowiedzią na to była cząstka obojętna”[61].

Od najlżejszych, poza wodorem, do najcięższych pierwiastków układu okresowego liczba atomowa – która wyraża ładunek elektryczny jądra i liczbę elektronów w atomie – różni się od ciężaru atomowego. Hel ma liczbę atomową 2, a ciężar atomowy 4; azot ma liczbę atomową 7, a ciężar atomowy 14. Różnica między liczbą atomową a ciężarem atomowym rośnie, w miarę jak przechodzimy do coraz cięższych pierwiastków: srebro – 47 i 107, bar – 56 i 137, rad – 88 i 226, uran – 92 i 235 lub 238. Zgodnie z ówczesną teorią przyczyną tej różnicy miała być obecność dodatkowych protonów, których ładunek równoważyły ściśle z nimi związane elektrony w jądrze. Jądro jednak ma określony maksymalny wymiar, wyznaczony na podstawie doświadczeń, i wraz ze wzrostem liczby atomowej i ciężaru atomowego pierwiastka coraz mniej miejsca zostawało w jądrze na te wszystkie dodatkowe elektrony. Trudność pogłębiła się po odkryciu w latach dwudziestych mechaniki kwantowej, zgodnie z którą utrzymanie w tak małej objętości tak lekkich cząstek jak elektron wymagałoby olbrzymiej energii, która powinna się pojawiać przy zaburzeniu jądra, ale tego nikomu nie udało się zaobserwować. Jedynym dowodem obecności elektronów w jądrze była emisja promieniowania beta, czyli elektronów o dużej energii. Był to jakiś punkt zaczepienia, ale niewystarczający, zważywszy na inne trudności związane z upakowaniem elektronów w jądrze.

„I tak – powiada Chadwick – rozmowy te przekonały mnie, że neutron musi istnieć. Pozostał jeden problem, jak, do diabła, można by tego dowieść. [...] I wkrótce potem zacząłem, gdy mogłem, robić odpowiednie doświadczenia. W [Laboratorium Cavendisha] było mnóstwo pracy i zostawało mi bardzo niewiele czasu, a zainteresowanie Rutherforda od czasu do czasu odżywało, ale tylko od czasu do czasu”[62]. Chadwick prowadził wprawdzie poszukiwania neutronu z błogosławieństwem Rutherforda, ale żmudne doświadczenia robił sam i sam znosił związane z nimi rozczarowania.

Chadwick może bardziej niż ktokolwiek nadawał się do pracy nad wykryciem cząstki, która przechodząc przez materię, nie zostawiała niemal żadnych śladów, był bowiem człowiekiem nieśmiałym, spokojnym, sumiennym, rzetelnym, czymś w rodzaju neutronu. Rutherford zarzucał mu kiedyś, że poświęca zbyt wiele uwagi chłopcom z laboratorium, ale Chadwick uważał, że opieka nad nimi i ich wychowanie jest jego podstawowym obowiązkiem. „To Chadwick – wspominał Mark Oliphant – pilnował, by studenci prowadzący badania dostawali potrzebny sprzęt, na ile pozwalały na to niewielkie zapasy i fundusze, które miał do dyspozycji”[63]. Na pierwszy rzut oka wydawało się, że jest „ponury i nigdy się nie uśmiecha”, z czasem okazywało się, że „pod tymi pozorami kryje się człowiek uprzejmy, gotowy do pomocy i wielkoduszny”[64]. Miał skłonność, powiada Otto Frisch, „ukrywać uprzejmość za fasadą opryskliwości”[65].

Była to ochronna fasada. James Chadwick był wysoki, chudy, ciemny, z wysokim czołem, cienkimi wargami i krogulczym nosem. „Miał – mówią zgodnie jego biografowie i koledzy – głęboki głos i kostyczne poczucie humoru, któremu towarzyszył charakterystyczny chichot”[66]. Urodził się w 1891 roku we wsi Bollington, na południe od Manchesteru, w Cheshire. Gdy był jeszcze małym chłopcem, ojciec opuścił rodzinny dom i otworzył pralnię w Manchesterze. Wydaje się, że wychowywała go babka. Gdy miał szesnaście lat, bardzo wcześnie, nawet jak na angielski system edukacji, wystartował w konkursie o dwa stypendia na Uniwersytet Manchesterski i zdobył oba. Zatrzymał jedno i wstąpił na uniwersytet.

Zamierzał studiować matematykę. Egzaminy ustne przeprowadzano publicznie, w wielkiej zatłoczonej sali. Chadwick stanął w złej kolejce; gdy zaczął odpowiadać na pytania, uświadomił sobie, że jest to egzamin na fizykę. Był zbyt nieśmiały, by wyjaśnić pomyłkę; stwierdził zatem, że wykładowca zrobił na nim duże wrażenie i będzie studiować fizykę. Jak podają jego biografowie, przez pierwszy rok żałował, gdyż „klasy fizyczne były duże i hałaśliwe”[67]. Na drugim roku usłyszał wykład Rutherforda o jego pierwszych doświadczeniach w Nowej Zelandii i zmienił zdanie. Na trzecim roku Rutherford dał mu temat badań. Znów popadł w kłopoty z powodu nieśmiałości; tym razem mogło się to fatalnie skończyć dla jego kariery. Chadwick odkrył kruczek w metodzie zalecanej przez Rutherforda, ale nie mógł się zdobyć, żeby o tym powiedzieć. Rutherford sądził, że Chadwick go nie zauważył. W końcu obaj, dorosły mężczyzna i chłopiec, wyjaśnili to nieporozumienie i w 1911 roku Chadwick uzyskał dyplom z najwyższym wyróżnieniem[68].

Następnie Chadwick rozpoczął studia magisterskie. Pracował pod kierunkiem A.S. Russella i śledził badania, które w tych owocnych latach prowadzili Geiger, Marsden, de Hevesy, Moseley, Darwin i Bohr. W 1913 roku otrzymał tytuł magistra i zdobył ważne stypendium naukowe. Zgodnie z jego warunkami miał pracować w kilku laboratoriach w celu pogłębienia edukacji. W tym czasie Geiger wrócił do Berlina, a Chadwick pojechał w ślad za nim. Byłby to przyjemny okres, gdyby trwał dłużej; Geiger wprowadził go w środowisko, poznał między innymi z Einsteinem, Hahnem i Meitner, ale niestety wkrótce wybuchła wojna.

 

Jako oficer rezerwy, Geiger został szybko zmobilizowany; przed wyjazdem przekazał Chadwickowi z własnych funduszy czek na dwieście marek. Niektórzy niemieccy przyjaciele młodego Anglika doradzali mu, by szybko opuścił Niemcy, inni przekonywali, że powinien poczekać, by nie utknąć w drodze, gdy pociągi z wojskiem zablokują ruch. Chadwick postanowił wracać przez Holandię i 2 sierpnia poszedł do berlińskiego biura Cooka kupić bilet. Tam poradzono mu, by pojechał przez Szwajcarię, ale to znowu wydawało się jego przyjaciołom zbyt ryzykowne. Zastosował się do ich rady i czekał.

Potem było już za późno. Razem z niemieckim przyjacielem został aresztowany pod zarzutem wygłaszania wywrotowych uwag – w pierwszych tygodniach histerycznego nacjonalizmu wystarczyło mówić po angielsku, by narazić się na taki zarzut – i przesiedział dziesięć dni w berlińskim więzieniu, zanim laboratorium Geigera załatwiło zwolnienie. Wrócił do laboratorium i pracował do czasu, aż wrócił porządek, ale wtedy rząd cesarski postanowił, że wszyscy Anglicy przebywający w Niemczech na czas wojny mają zostać internowani.

Miejscem internowania był tor wyścigowy w Ruhleben („spokojne życie” po niemiecku) w pobliżu Spandau. Chadwick wraz z pięcioma innymi Anglikami zajmował w stajni zagrodę przeznaczoną dla dwóch koni i z pewnością przypominał sobie opowieści o Guliwerze. Zimą po przebudzeniu musiał długo rozgrzewać sobie nogi. Razem z innymi internowanymi zawiązał towarzystwo naukowe i nawet udało im się przeprowadzić kilka doświadczeń. To spokojne życie w Ruhleben, o głodzie i w zimnie, trwało cztery lata. Był to czas, jak to ocenił później, w którym naprawdę zaczął dojrzewać. Po zawieszeniu broni wrócił do Manchesteru ze zrujnowanym układem trawiennym i 11 funtami w kieszeni, ale przynajmniej żył, nie tak jak biedny Henry Moseley. Rutherford przyjął go do siebie.

Chadwick wspominał, że niektóre doświadczenia, jakie wykonał w latach dwudziestych w Laboratorium Cavendisha, poszukując neutronu, „były tak desperackie, tak wymyślne, jak eksperymenty alchemika”[69]. On i Rutherford sądzili, że neutron jest układem związanym protonu i elektronu, dlatego wymyślali najróżniejsze sposoby męczenia wodoru – na przykład poddawali go działaniu wyładowań elektrycznych i promieni kosmicznych – w nadziei, że jądro wodoru, które trwa w niezmienionym stanie od początków wszechświata, w ich rękach w jakiś sposób zmieni się w neutron.

Obojętna cząstka opierała się im jednak, a jądro odparło atak. Laboratorium, wspomina Chadwick, „przeżywało stosunkowo spokojny okres. Robiono wiele interesujących i ważnych doświadczeń, ale były to raczej prace konsolidujące, a nie odkrycia; mimo wielu wysiłków nie można było znaleźć dróg do nowych obszarów zjawisk”[70]. Wydawało się już, dodaje, że „jak to kiedyś powiedział Rutherford i z czym zgadzało się wielu fizyków, zagadnienie struktury jądra trzeba będzie pozostawić do rozwiązania następnemu pokoleniu”[71]. Rutherford „był trochę rozczarowany, ponieważ rzeczywiście było bardzo trudno odkryć coś naprawdę istotnego”[72]. Teoria kwantów rozkwitała, badania jądrowe natomiast utknęły w martwym punkcie. W 1923 roku Rutherford był jeszcze takim optymistą, że na dorocznym posiedzeniu Towarzystwa Brytyjskiego krzyczał: „Żyjemy w bohaterskiej epoce fizyki!”[73]. W 1927 roku, pisząc artykuł o budowie atomu, nie był już tak pewny: „Gdy chodzi o budowę jąder, nawet w wypadku lżejszych i prawdopodobnie mniej złożonych atomów nie jesteśmy w stanie wyjść poza przypuszczenia”. Mimo to zaproponował model, zgodnie z którym elektrony miały krążyć w jądrze wokół protonów; był to niejako atom w atomie[74].

Rutherford i Chadwick mieli do wykonania inne zadania. Patrząc z perspektywy, można powiedzieć, że były to bardzo potrzebne przygotowania. Metoda scyntylacji, którą się posługiwano przy badaniu promieniowania, osiągnęła granice swoich możliwości: gdy liczba błysków była większa od stu pięćdziesięciu lub mniejsza od trzech na minutę, trudno je było dokładnie policzyć, a właśnie z takimi zakresami mieli teraz do czynienia fizycy jądrowi[75]. Kontrowersja między Laboratorium Cavendisha a Wiedeńskim Instytutem Radowym przekonała nawet Rutherforda o konieczności zmian. Instytut w Wiedniu powtórzył doświadczenia Laboratorium Cavendisha dotyczące przemian lekkich pierwiastków i opublikował zupełnie inne wyniki. Co gorsza, wiedeńscy fizycy uznali, że przyczyną rozbieżności jest kiepska jakość aparatury używanej w Laboratorium Cavendisha. Chadwick włożył wiele pracy w ponowne doświadczenia; tym razem zastosował specjalny mikroskop, w którym warstwę siarczku cynkowego nałożono bezpośrednio na soczewkę obiektywu mikroskopu, co znacznie rozjaśniło pole widzenia. Doświadczenia potwierdziły wcześniejsze wyniki. Chadwick udał się do Wiednia. „Zobaczył – piszą jego biografowie – że scyntylacje liczyły trzy młode kobiety; wiedeńscy uczeni uważali, że kobiety mają lepsze oczy i że jest mniej prawdopodobne, by myślenie rozpraszało ich uwagę w czasie liczenia!”[76] Chadwick obserwował je przy pracy i stwierdził, że ponieważ wiedziały, jaki jest oczekiwany wynik doświadczenia, podświadomie liczyły nawet te błyski, których nie było, byle tylko otrzymać właściwe rezultaty. Dał im więc do wykonania nowe doświadczenie; tym razem policzyły tyle samo błysków co on. Wiedeński instytut złożył wyrazy ubolewania.

Hans Geiger wrócił do pracy nad licznikiem elektrycznym, który wynalazł razem z Rutherfordem w 1908 roku, i udało mu się go udoskonalić. Istotną rolę odgrywa w nim metalowy drut pod napięciem, rozciągnięty wewnątrz wypełnionej gazem rury z okienkiem z cienką przesłoną, przez które naładowane cząstki mogą wlecieć do środka. Cząstki jonizują atomy gazu, a uwolnione elektrony, przyciągnięte przez dodatnio naładowany drut, powodują zmianę natężenia prądu płynącego przez drut. Powstający impuls elektryczny zostaje przepuszczony przez wzmacniacz i przekształcony w impuls dźwiękowy – charakterystyczny trzask – lub obserwuje się go na ekranie oscyloskopu. Licznik Geigera mógł działać bez przerwy i liczyć powyżej i poniżej zakresu, który był dostępny dla omylnych fizyków wpatrujących się w ekrany scyntylacyjne. Pierwsze liczniki miały jednak poważną wadę: były bardzo czułe na promieniowanie gamma, znacznie bardziej niż siarczek cynkowy. Związki radu, z których w Laboratorium Cavendisha otrzymywano cząstki alfa, emitowały właśnie bardzo dużo promieni gamma. Polon, pierwiastek promieniotwórczy odkryty przez Marię Curie w 1898 roku i nazwany tak od łacińskiej nazwy jej rodzinnego kraju, Polski, mógłby być doskonałym źródłem cząstek alfa, gdyż emituje promieniowanie gamma o natężeniu 100 tysięcy razy mniejszym niż rad. Niestety, polon był trudno dostępny. Tona rudy uranowej zawierała zaledwie 0,1 miligrama polonu, czyli zbyt mało, by opłacało się go specjalnie wyodrębniać. Praktycznie biorąc, polon można było otrzymać tylko jako produkt uboczny rozpadu radu, ale radu też było bardzo mało.

W tym czasie wielu ludzi uznało, że pora już zapomnieć o ponurych latach wojny i zacząć żyć normalnie. W 1925 roku Chadwick poślubił Aileen Stewart-Brown, pochodzącą z rodziny od dawna prowadzącej interesy w Liverpoolu. Dotychczas mieszkał w Gonville i Caius College, teraz zamierzał zbudować własny dom. Rok później, gdy prace na budowie szły pełną parą, Rutherford poprosił go, a także jeszcze jednego pracownika Laboratorium Cavendisha, by zaktualizował jego stary podręcznik na temat promieniotwórczości. Chadwick zgodził się i zakutany w płaszcz pisał nocami przy stole dosuniętym do kominka w zimnym, wynajętym mieszkaniu; gdy ogień słabł, wkładał nawet rękawiczki.

Pod koniec tego dziesięciolecia Rutherfordowie przeżyli tragedię. Ich córka Eileen, żona Ralpha H. Fowlera, który pracował jako fizyk teoretyk w Laboratorium Cavendisha, tydzień po urodzeniu czwartego dziecka, mając dwadzieścia dziewięć lat, zmarła z powodu skrzepu krwi. „Po stracie jedynego dziecka – pisze A.S. Eve – które kochał i podziwiał, Rutherford nagle się postarzał; wyglądał starzej i garbił się bardziej. Trzymał się jednak dzielnie i nadal pracował, a jedną z rozkoszy jego życia była czwórka wnucząt. Twarz mu się rozjaśniała zawsze, gdy o nich mówił”[77].

W 1931 roku, w wieku sześćdziesięciu lat, Rutherford został wyniesiony do godności barona. Jego herbowe godło wieńczy kiwi; z prawej strony podtrzymuje je Hermes Trismegistos, egipski bóg mądrości, który miał być autorem ksiąg o alchemii, a z lewej Maorys trzymający maczugę. Dwie krzyżujące się krzywe, dzielące tarczę herbową na cztery części, przedstawiają aktywność promieniotwórczą, dzięki której wszystkim promieniotwórczym pierwiastkom i izotopom można przypisać określony czas połowicznego rozpadu[78].

Około 1928 roku niemiecki fizyk Walther Bothe, „prawdziwy fizyk fizyków”[79] – według określenia Emilia Segrègo – oraz jego student Herbert Becker zaczęli badać promieniowanie gamma emitowane przez lekkie pierwiastki pod wpływem bombardowania cząstkami alfa. Zbadali lekkie pierwiastki, począwszy od litu do tlenu, a także magnez, glin i srebro. Ponieważ analizowali promieniowanie gamma emitowane przez wzbudzone jądra badanego pierwiastka, zależało im na zminimalizowaniu tła promieniowania gamma i dlatego zastosowali polon jako źródło promieniowania alfa. „Nie wiem, jak [Bothe] zdobył swoje źródła – dziwił się Chadwick – ale jakoś to zrobił”[80]. Lise Meitner z Instytutu Cesarza Wilhelma wspaniałomyślnie ofiarowała Chadwickowi nieco polonu, ale było go zbyt mało, by mógł powtórzyć doświadczenia Bothego.

Niemcy zarejestrowali promieniowanie gamma w doświadczeniach z borem, magnezem i glinem, co było mniej więcej zgodne z oczekiwaniami, gdyż cząstki alfa powodują rozbicie jąder tych pierwiastków. Nieoczekiwanie jednak zarejestrowali promieniowanie również wtedy, gdy bombardowali cząstkami alfa tarcze z litu i berylu, których jądra nie ulegały rozbiciu. „W rzeczywistości – pisze Norman Feather, jeden z kolegów Chadwicka z Laboratorium Cavendisha – natężenie promieniowania berylu [...] było prawie dziesięciokrotnie większe niż wszystkich wcześniej zbadanych pierwiastków”[81]. Było to zastanawiające, podobnie jak fakt, że pod wpływem bombardowania cząstkami alfa beryl emituje promieniowanie o dużym natężeniu, nie występuje natomiast emisja protonów. Bothe i Becker opublikowali w sierpniu 1930 roku krótki komunikat, a w grudniu dłuższe sprawozdanie. Promieniowanie, które wzbudzili w berylu, miało większą energię niż bombardujące cząstki alfa. Z zasady zachowania energii wynikało, że musiało istnieć jakieś źródło tej nadwyżki. Bothe i Becker wysunęli hipotezę, że mimo braku protonów energia ta pochodzi z rozpadu jądra.

Chadwick polecił jednemu ze swych doktorantów, Australijczykowi H.C. Websterowi, by sprawdził te niezwykłe wyniki. Nieco później, korzystając z lepszych źródeł promieniowania, te same prace podjął zespół francuski: Irène Curie, ponura i utalentowana córka Marii Curie, mająca wówczas trzydzieści trzy lata, oraz jej mąż Frédéric Joliot, dwa lata od niej młodszy, przystojny i otwarty człowiek, z wykształcenia inżynier, który przypominał Emiliowi Segrèmu uroczego śpiewaka Maurice’a Chevaliera.

Instytut Radowy Marie Curie na wschodnim krańcu ulicy Pierre’a Curie w Dzielnicy Łacińskiej, zbudowany tuż przed wojną na koszt rządu francuskiego i Fundacji Pasteura, miał przewagę nad innymi ośrodkami we wszystkich badaniach, w których potrzebny był polon. Gazowy radon rozpada się z upływem czasu, tworząc trzy umiarkowanie promieniotwórcze izotopy: ołów 210, bizmut 210 i polon 210, które można rozdzielić chemicznie. Na całym świecie lekarze leczyli raka radonem zamkniętym w szklanych ampułach. Po paru dniach radon rozpadał się i ampuły nie nadawały się do dalszego użytku. Wielu lekarzy wysyłało je do Paryża w hołdzie kobiecie, która odkryła rad. W ten sposób instytut zgromadził największy w tym czasie zapas polonu na świecie.

Po ślubie w 1927 roku małżonkowie Joliot-Curie przez dwa lata pracowali oddzielnie; w 1929 roku postanowili połączyć siły. Najpierw opracowali nową metodę wyodrębniania polonu i do 1931 roku oczyścili znaczną ilość tego pierwiastka, który emituje promieniowanie o natężeniu prawie dziesięciokrotnie większym niż inne znane wówczas źródła. Gdy już dysponowali potężnym nowym źródłem, postanowili zbadać tajemnicę berylu.

Do tego czasu student Chadwicka H.C. Webster nie tylko powtórzył eksperymenty Bothego, ale stwierdził ponadto, że „promieniowanie berylu emitowane w tym samym kierunku co [...] cząstki alfa jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie emitowane w kierunku przeciwnym”[82]. Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, o podobnym charakterze jak światło, emitowane z punktowego źródła, takiego jak jądro, powinno rozchodzić się jednakowo w każdym kierunku podobnie jak światło z żarówki. Cząstka natomiast zwykle leci w tym samym kierunku, co padająca cząstka alfa. „Oczywiście – dodaje Chadwick – byłem z tego powodu bardzo podniecony, bo pomyślałem sobie «to neutron»”[83].

 

Chadwick, ojciec bliźniaczek, jako człowiek mający rodzinę nabrał stałych przyzwyczajeń. Jednym z najświętszych zwyczajów były rodzinne wakacje w czerwcu. Pojawiająca się szansa odkrycia tak długo szukanego neutronu nie wydawała się dostatecznie ważnym powodem, by zmieniać plany. Poza tym Chadwick uważał, że do następnego etapu badań potrzebuje komory mgłowej, a komora w Laboratorium Cavendisha była zepsuta. Znalazł inną, a właściciel zgodził się użyczyć jej Websterowi, gdy zakończy swoje prace. Chadwick nadal zakładał, że neutron stanowi układ związany elektronu i protonu, który wytwarza w najbliższym otoczeniu dostatecznie silne pole elektryczne, by powodować słabą jonizację gazu. Wobec tego chciał, aby Webster skierował promieniowanie berylu do komory mgłowej i sprawdził, czy uda się sfotografować tory utworzone przez zjonizowane atomy. Zostawił studenta przy pracy, a sam pojechał na urlop.

„Oczywiście – powiedział Chadwick, wspominając polowanie na neutron – niczego nie powinni zobaczyć”[84], i rzeczywiście nie zobaczyli. „Napisali i powiedzieli mi, co się zdarzyło, że niczego nie znaleźli, co sprawiło mi duży zawód”. Po przejściu Webstera na Uniwersytet Bristolski Chadwick postanowił, że sam zajmie się badaniem promieniowania berylu.

Najpierw pracę wstrzymały przenosiny do innej części budynku Laboratorium Cavendisha, potem musiał przygotować silne źródło polonowe. Jeśli chodzi o polon, to miał szczęście. Norman Feather spędził rok akademicki 1929–1930 w Baltimore, na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, i zaprzyjaźnił się tam z angielskim lekarzem, który w Kelly Hospital w Baltimore sprawował pieczę nad zaopatrzeniem w rad. Lekarz zgromadził kilkaset zużytych ampuł radonowych; „w sumie – wspominał Feather – zawierały prawie tyle polonu, ile posiadali Curie i Joliot w Paryżu”[85]. Szpital podarował je Laboratorium Cavendisha, a Feather przywiózł do kraju. Jesienią Chadwick zakończył niebezpieczny proces rozdzielania metodą chemiczną.

28 grudnia 1931 roku Irène Joliot-Curie przedstawiła Francuskiej Akademii Nauk swoje pierwsze wyniki. Stwierdziła, że promieniowanie berylu było jeszcze bardziej przenikliwe, niż podali Bothe i Becker. Na podstawie pomiarów ilościowych ustaliła, że energia promieniowania jest trzykrotnie większa od energii bombardujących cząstek alfa.

Małżonkowie Joliot-Curie postanowili następnie sprawdzić, czy promieniowanie berylu, podobnie jak cząstki alfa, wybija protony z materii. „Zainstalowali w komorze mgłowej okno z cienką przesłoną – wyjaśnia Feather – i blisko okna umieszczali na drodze promieniowania różne materiały. Pewien efekt udało się im zaobserwować tylko w wypadku takich materiałów jak parafina i celofan, które zawierają wodór. Gdy promieniowanie przechodziło przez cienką warstwę tych substancji, prąd w komorze jonizacyjnej był większy niż zwykle. Następnie przeprowadzili serię prostych i eleganckich doświadczeń, w których uzyskali przekonujące dowody na to, że wzrost jonizacji powodują protony wybite z materii zawierającej wodór”[86]. Zrozumieli wówczas, że obserwują elastyczne zderzenia – podobne do zderzeń kul bilardowych lub marmurowych kulek – promieniowania berylu i jąder atomów wodoru.

Joliot-Curie nadal jednak byli przekonani, że przenikliwe promieniowanie berylu jest promieniowaniem gamma. Nie pomyśleli o możliwości istnienia cząstki obojętnej. Nie przeczytali Bakerian Lecture Rutherforda, ponieważ wiedzieli, że tego rodzaju wykłady są zawsze podsumowaniem rzeczy już znanych. Tylko Rutherford i Chadwick traktowali neutron poważnie.

18 stycznia 1932 roku Joliot-Curie przedstawili Akademii Nauk pracę, w której wykazali, że w czasie bombardowania parafiny promieniowaniem berylu następuje emisja szybkich protonów. Nie był to jednak główny punkt ich artykułu. Nosił on tytuł: Emisja protonów o dużej prędkości z zawierającego wodór materiału napromieniowanego bardzo przenikliwym promieniem gamma. Było to zupełnie nieprawdopodobne; w ich interpretacji wyglądało to tak, jakby mała marmurowa kulka odchyliła tor kuli używanej do wyburzania. Promienie gamma mogą rozpraszać elektrony – tak dzieje się w zjawisku Comptona, nazwanym tak na cześć jego odkrywcy, amerykańskiego fizyka doświadczalnego Arthura Holly’ego Comptona – ale proton jest 1836 razy cięższy od elektronu i trudno go poruszyć.

Na początku lutego Chadwick znalazł w porannej poczcie Laboratorium Cavendisha „Comptes rendus”, francuskie pismo fizyczne, zobaczył artykuł Joliot-Curie i w miarę jak czytał, coraz szerzej otwierał oczy:

Po kilku zaledwie minutach przyszedł do mego pokoju Feather, by powiedzieć mi o tym sprawozdaniu. Był równie zdumiony jak ja. Nieco później tego samego ranka powiedziałem o tym Rutherfordowi. Istniał dawny zwyczaj, że około jedenastej wpadałem do niego, by przekazać interesujące nowiny i omówić prace prowadzone w laboratorium. Gdy opowiedziałem mu o obserwacjach Curie-Joliot i ich poglądach na ten temat, dostrzegłem jego rosnące zdziwienie, wreszcie wybuchnął: „Nie wierzę w to”. Tak niecierpliwa uwaga zupełnie nie leżała w jego charakterze i nie przypominam sobie podobnej sytuacji w ciągu całej naszej długiej współpracy. Wspominam o tym, by podkreślić elektryzujący skutek artykułu Curie-Joliot. Oczywiście, Rutherford zgodził się, że należy wierzyć obserwacjom, ale wyjaśnienie to zupełnie inna sprawa.

Żadne obowiązki nie stanęły już na drodze Chadwicka do jego przeznaczenia. 7 lutego 1932 roku, w niedzielę, zabrał się gorączkowo do pracy: „Tak się zdarzyło, że [kiedy przeczytałem o odkryciu Joliot-Curie], mogłem już rozpocząć doświadczenia. [...] Zacząłem bez żadnych wstępnych założeń, choć, oczywiście, myślałem o neutronie. Byłem prawie pewien, że obserwacji Curie-Joliot nie da się wyjaśnić, odwołując się do czegoś w rodzaju zjawiska Comptona, ponieważ sam wielokrotnie próbowałem zaobserwować taki proces. Miałem przekonanie, że jest to coś nowego i dziwnego”[87].

Aparatura Chadwicka była bardzo prosta, składała się ze źródła promieniowania[88] i komory jonizacyjnej podłączonej do wzmacniacza lampowego, a ten do oscyloskopu. Źródło promieniowania, w postaci metalowej rury próżniowej przymocowanej do ociosanego kawałka drewna sosnowego, zawierało centymetrową tarczę ze srebra powleczoną polonem, zamontowaną tuż za dwucentymetrową tarczą z czystego berylu, szarawego, srebrzystego metalu trzykrotnie lżejszego niż glin. Cząstki alfa z polonu, uderzając w jądra berylu, powodowały emisję przenikliwego promieniowania. Chadwick natychmiast stwierdził, że promieniowanie przechodziło bez przeszkód przez dwucentymetrową warstwę ołowiu.

Okienko w małej komorze jonizacyjnej – szerokości 12,5 milimetra – położone naprzeciw źródła promieniowania zostało przesłonięte aluminiową folią. Płytką komorę wypełniało powietrze pod normalnym ciśnieniem. W komorze znajdowała się niewielka naładowana płytka, która zbierała elektrony z atomów zjonizowanych przez promieniowanie, a powstające impulsy przechodziły przez wzmacniacz do oscyloskopu. „Ten układ doświadczalny pozwalał dopiąć celu – wyjaśnia Norman Feather. – Jeżeli wzmacniacz był starannie zaprojektowany, to wielkość wychylenia na oscylografie była wprost proporcjonalna do liczby zjonizowanych atomów w komorze. [...] Zatem pomiar wychylenia oscylografu pozwalał bezpośrednio obliczyć energię odrzuconego atomu wywołującego jonizację”[89].