שבוי המלחמה שהשלים את הפאזל האטומי

בעידן של פצצות אטום, אנרגיה גרעינית, מאיצי חלקיקים ושימוש שוטף באיזוטופים ברפואה קשה לנו לתפוס את זה, אבל לפני פחות ממאה שנה האנושות עדיין לא ידעה איך בנוי האטום. בתחילת המאה ה-20 עסקו מיטב המוחות בניסיונות לפענח את התעלומה, ואט-אט הרכיבו את הפאזל המאתגר הזה.

גם כשכבר הבינו שהאטום מורכב מפרוטונים חיוביים ואלקטרונים שליליים ושרוב המסה שלו מרוכזת בגרעין, עדיין לא היה ברור כיצד הנתונים האלה מצטרפים לתמונה אחת שלמה והגיונית מבחינה פיזיקלית. משהו היה חסר. ואת הפיסה החסרה שהשלימה את מודל האטום הניח פיזיקאי אנגלי מבריק, צנוע ונעים הליכות.

לבד בברלין

ג'יימס צ'דוויק (Chadwick) נולד באוקטובר 1891 בעיירה קטנה במחוז צ'שייר שבאנגליה, בן בכור מארבעת ילדיהם של פועל בענף הכותנה ומשרתת בבתים אמידים. כשהיה בן ארבע החליט אביו לנסות את מזלו בעסקי המכבסות, והוריו עברו למנצ'סטר והשאירו את הילד (ובהמשך גם את אחיו) בהשגחת הוריה של האם.

כשסיים את בית הספר היסודי זכה צ'דוויק במלגת הצטיינות ללימודים בתיכון יוקרתי במנצ'סטר, אך נאלץ לוותר על הכבוד משום שהוריו לא יכלו לעמוד גם בתשלום הקטן שנותר להם להוסיף. הוא לא ויתר על הלימודים קרוב להוריו ולמד בתיכון אחר במנצ'סטר, שם קיבל מלגה מלאה.

כשסיים בהצטיינות את לימודיו זכה במלגה נוספת לאוניברסיטת ויקטוריה במנצ'סטר. צד'וויק התכוון להתמקד בלימודי המתמטיקה, אך בגלל טעות במילוי הטפסים מצא עצמו רשום דווקא בחוג לפיזיקה. גם כאן הצטיין, ובסיום התואר הראשון התקבל לתואר שני אצל ראש המחלקה לפיזיקה ארנסט רתרפורד, שנחשב לאחד מגדולי הפיזיקאים של תקופתו.

בעבודת המחקר שלו פיתח צ'דוויק שיטה למדוד פליטה של קרינת גמא ולבחון את השפעתה על חומרים שונים. באותה תקופה עשו רתרפורד ושני תלמידי דוקטורט שלו את הניסויים שיקנו לו תהילת עולם ופרס נובל בפיזיקה, והוכיח כי רוב המסה של האטום מרוכזת בגרעין זעיר יחסית לנפח הכללי שלו.

כשסיים את התואר השני זכה צ'דוויק במלגת הצטיינות נוספת למימון לימודי הדוקטורט שלו. התנאי היחיד של המלגה היה שלא ימשיך בלימודיו באותה מעבדה, והוא החליט לצאת לברלין כדי לעבוד עם הנס גייגר, אחד משני התלמידים שהיו שותפים לעבודה פורצת הדרך של רתרפורד.

ב-1913 התחיל את עבודתו בברלין וחקר קרינת בטא, שאז כבר ידעו שהיא פליטה של אלקטרונים מהאטום. הממצאים שגילה שימשו כעבור שנים לא מעטות להבנת תופעות הקשורות בהתפרקות של גרעין האטום. אולם כעבור שנה פרצה מלחמת העולם הראשונה וצ'דוויק האנגלי מצא את עצמו לפתע פתאום במדינת אויב.

המדען הצעיר נכלא במתקן מעצר לנתיני אויב, רובם הגדול בריטים. למרות התנאים הקשים במחנה אפשרו הגרמנים לעצירים לעסוק בענייניהם, וצ'דוויק הצליח להקים מעבדה קטנה ולהמשיך לעסוק בחקר תהליכים גרעיניים, בין השאר בעזרת משחת שיניים גרמנית נפוצה שהכילה חומר רדיואקטיבי.

לאחר סיום המלחמה שב לאנגליה ושלח סיכום של עבודתו המדעית במחנה לקרן המלגות שמימנה את נסיעתו לגרמניה. רתרפורד סידר לו משרת הוראה חלקית באוניברסיטה, שאפשרה לו להמשיך במחקר. ב-1919 מונה רתרפורד למנהל מעבדת קאבנדיש היוקרתית באוניברסיטת קיימברידג' וצ'דוויק הצטרף אליו וקיבל עד מהרה מלגה לדוקטורט. הוא חקר את הכוחות הפועלים בתוך גרעין האטום וב-1921 כבר קיבל תואר דוקטור. לאחר מכן מונה לעמית בקיימברידג' והמשיך שם במחקריו.

המעבדה של ארנסט רתרפורד. למעלה: צ'דוויק (משמאל) עם הגנרל לזלי גרובס, המפקד הצבאי של פרויקט מנהטן | מקור: ויקיפדיה

החלקיק החסר

כמו פיזיקאים אחרים, צ'דוויק היה משוכנע שיש עוד מרכיב באטום, לצד הפרוטונים והאלקטרונים. בין הפיזיקאים שהובילו את התפיסה הזו היו אירן ז'וליו קירי ובעלה פרדריק, אך איש מהם לא הצליחו להוכיח את קיומו של החלקיק, משום שלא פירשו נכון את תוצאות הניסויים שהעשו בתחילת שנות ה-30. הם הקרינו חומרים מסוימים בקרינה רדיואקטיבית וכיוונו את הקרינה שנפלטה מהחומרים האלה ליריעת שעווה וגרמו לה לפלוט פרוטונים. אולם בני הזוג סברו כי הקרינה שגורמת לפליטת הפרוטונים היא קרינת גמא, כלומר אנרגיה בלי חלקיקים.

צ'דוויק סבר שקרינה לבד, בלי מסה, לא מספיקה כדי לחלץ מהגרעין את הפרוטונים, שהם חלקיקים כבדים יחסית. הוא חזר על הניסויים במערכת משלו והסיק שמה שגורם לפרוטונים להיפלט מהשעווה אינה קרינת גמא, אלא חלקיקים חסרי מטען חשמלי ובעלי מסה גבוהה. בתחילת 1932 הוא חזר על הניסויים עם שורה של חומרים אחרים במקום שעווה, וחישב בעזרתם שהחלקיק בעל המטען הניטרלי כבד מעט מהפרוטון. אחרי שבועיים של ניסויים שיגר מאמר קצר לכתב העת Nature, תחת הכותרת "קיום אפשרי של הניטרון". כעבור עוד שלושה חודשים פרסם מאמר מקיף עם כותרת החלטית יותר: "קיומו של הניטרון".

גילוי הניטרון השלים את הפאזל של מבנה האטום ואיפשר להסביר את המסה הגדולה של הגרעין, המכיל גם פרוטונים וגם ניטרונים בעוד האלקטרונים חגים סביב, וכן להסביר תצפיות רבות של תהליכים גרעיניים שלא היו ברורות עד אז. יתרה מזאת, בהיותו חסר מטען, שאינו נמשך למטענים חשמליים או נדחה מהם, היה אפשר להשתמש בניטרון כדי להפציץ גרעינים של אטומים אחרים, לערער את יציבותם ולזרז את התפרקותם, וכך לחקור ביעילות רבה יותר תהליכי התפרקות גרעינית.

הגילוי זיכה את צ'דוויק בפרס נובל בפיזיקה ב-1935. באותה שנה הוענק הפרס בכימיה לבני הזוג ז'וליו-קירי על פיתוח חומרים רדיואקטיביים מלאכותיים. בשנה הזו צ'דוויק גם עזב את קיימברידג' לטובת משרה יוקרתית באוניברסיטת ליברפול, שם המשיך לחקור את צפונותיו של גרעין האטום, לאחר שהשקיע את רוב כספי הפרס בשדרוג המעבדות בליברפול וברכישת מכשור מדעי מתקדם עבור האוניברסיטה.

מסטוקהולם למנהטן

ב-1939, עם פרוץ מלחמת העולם השנייה, היה צ'דוויק בחופשה משפחתית בשבדיה עם אשתו ובנותיו. מאחר שהתקופה שבילה במעצר הגרמני הספיקה לו בהחלט, נמלטה המשפחה משבדיה על הספינה הראשונה שהפליגה לאנגליה.

בתקופה הזו גם נפתח עידן הגרעין. מדענים הראו שאם מפציצים גרעין של אטום כבד בניטרונים אפשר לגרום לו להתבקע ולשחרר אנרגיה רבה. צ'דוויק מונה לחבר בוועדת מוד (MAUD), שמינה ראש הממשלה צ'רצ'יל לדון באפשרות של פיתוח פצצה גרעינית. בהמשך המלחמה הוזמן לעמוד בראש הקבוצה האנגלית שהשתתפה ב"פרויקט מנהטן" – המאמץ האמריקאי לפתח נשק גרעיני. לקראת סיום המלחמה עוטר בתואר אבירות והפך לסר ג'יימס.

לאחר המלחמה שימש צ'דוויק יועץ של ממשלת בריטניה ושל האו"ם בנושא אנרגיה גרעינית, לצד המשך מחקרו. ב-1948 הוזמן לנהל את הקולג' שבו הוא עצמו למד בקיימברידג', תפקיד שבו החזיק במשך עשור עד שפרש לגמלאות.

צ'דוויק מת בשנתו ב-24 ביולי 1974, בגיל 83. כאדם שקט ונחבא אל הכלים הוא לא כתב מעולם את זכרונותיו ולא הותיר מידע רב על תובנותיו והשקפת עולמו על דברים שאינם נוגעים בפיזיקה. בביוגרפיה שכתב עליו אנדרו בראון, הוא מצייר תמונה של אדם חכם, טוב לב ואנושי ונעים הליכות.  

במהלך חייו זכה צ'דוויק לאותות הוקרה, פרסים ועיטורים רבים. על שמו קרויים כיום קתדרות ובניינים באוניברסיטאות ליברפול ומנצ'סטר, ואפילו מכתש על הירח נושא את שמו של הפיזיקאי שהגילוי שלו השלים את פענוח מבנה האטום וסלל את הדרך לתחילתו של עידן הגרעין.