ג'יימס צ'דוויק
סר ג'יימס צ'דוויק (20 באוקטובר 1891 – 24 ביולי 1974) היה פיזיקאי ניסויי בריטי שקיבל את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1935 על גילוי הנייטרון. בשנת 1941 כתב את הטיוטה הסופית של דו"ח MAUD, שעורר את ממשלת ארצות הברית להתחיל במאמצי מחקר רציניים לפיתוח פצצה אטומית. הוא עמד בראש הצוות הבריטי שעבד על פרויקט מנהטן במהלך מלחמת העולם השנייה. בשנת 1945 הוענק לו תואר אבירות בבריטניה על הישגיו בפיזיקה גרעינית.
צ'דוויק סיים את לימודיו באוניברסיטת ויקטוריה במנצ'סטר בשנת 1911, שם למד תחת ארנסט רתרפורד (הידוע כ"אבי הפיזיקה הגרעינית"). במנצ'סטר המשיך ללמוד תחת רתרפורד עד שקיבל תואר שני (MSc) בשנת 1913. באותה שנה הוענקה לצ'דוויק מלגת מחקר של הוועדה המלכותית לתערוכה של 1851. הוא בחר לחקור קרינת בטא תחת הנס גייגר בברלין. באמצעות מונה גייגר שפותח לאחרונה, הצליח צ'דוויק להוכיח שקרינת בטא מייצרת ספקטרום רציף, ולא קווים בדידים כפי שחשבו עד אז. הוא שהה בגרמניה כשפרצה מלחמת העולם הראשונה באירופה, ובילה את ארבע השנים הבאות במחנה המעצר רוהלבן.
לאחר המלחמה, צ'דוויק עקב אחרי רתרפורד למעבדת קוונדיש באוניברסיטת קיימברידג', שם קיבל צ'דוויק את תואר הדוקטור שלו תחת הנחייתו של רתרפורד מקולג' גונוויל וקאיוס, קיימברידג', ביוני 1921. הוא שימש כסגן מנהל המחקר של רתרפורד במעבדת קוונדיש במשך למעלה מעשור, בתקופה שבה הייתה אחד המרכזים המובילים בעולם לחקר הפיזיקה, ומשכה סטודנטים כמו ג'ון קוקרופט, נורמן פת'ר ומארק אוליפנט. צ'דוויק עקב אחר גילוי הנייטרון במדידת מסתו. הוא צפה כי נייטרונים יהפכו לנשק מרכזי במאבק בסרטן. צ'דוויק עזב את מעבדת קוונדיש בשנת 1935 כדי להפוך לפרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ליברפול, שם שיפץ מעבדה מיושנת והפך אותה למרכז חשוב לחקר הפיזיקה הגרעינית על ידי התקנת ציקלוטרון.
חיים מוקדמים וחינוך
ג'יימס צ'דוויק נולד ב-20 באוקטובר 1891 בצ'שייר, אנגליה, כבנם הבכור של ג'ון ג'וזף צ'דוויק, טווה כותנה, ואן מרי נואלס, משרתת בית. הוא נקרא ג'יימס על שם סבו מצד אביו. בשנת 1895 עברו הוריו למנצ'סטר והשאירו אותו בהשגחת סביו מצד אמו. הוא למד בבית הספר היסודי בולינגטון קרוס, והוצעה לו מלגה לבית הספר מנצ'סטר גראמר, שאותה נאלצה משפחתו לדחות מכיוון שלא יכלו להרשות לעצמם את שכר הלימוד הקטן שעדיין נדרש. במקום זאת הוא למד בבית הספר המרכזי לבנים במנצ'סטר, שם התאחד עם הוריו. היו לו שני אחים צעירים, הארי ויוברט; אחות נפטרה בינקותה. בגיל 16 הוא ניגש לשתי בחינות למלגות אוניברסיטאיות וזכה בשתיהן.
צ'דוויק בחר ללמוד באוניברסיטת ויקטוריה במנצ'סטר, אליה נכנס ב-1908. הוא התכוון ללמוד מתמטיקה, אך נרשם לפיזיקה בטעות. כמו רוב הסטודנטים, הוא חי בבית, והלך ברגל 4 מיילים (6.4 ק"מ) לאוניברסיטה ובחזרה בכל יום. בסוף שנתו הראשונה הוענקה לו מלגת הגינבוטום ללימודי פיזיקה. המחלקה לפיזיקה נוהלה על ידי ארנסט רתרפורד, שהקצה פרויקטי מחקר לסטודנטים בשנה האחרונה, והוא הורה לצ'דוויק להמציא אמצעי להשוואת כמות האנרגיה הרדיואקטיבית של שני מקורות שונים. הרעיון היה שניתן למדוד אותם במונחים של פעילות של 1 גרם (0.035 אונקיות) רדיום, יחידת מדידה שתהפוך לידועה בשם קירי. הגישה שהציע רתרפורד לא הייתה ישימה – דבר שצ'דוויק ידע אך פחד לומר לרתרפורד – לכן צ'דוויק המשיך ופיתח בסופו של דבר את השיטה הנדרשת. התוצאות הפכו למאמרו הראשון של צ'דוויק, שפורסם ב-1912 בשיתוף עם רתרפורד. הוא סיים את לימודיו בהצטיינות יתרה בשנת 1911.
לאחר שפיתח אמצעי למדידת קרינת גמא, המשיך צ'דוויק למדוד את בליעת קרני הגמא על ידי גזים ונוזלים שונים. הפעם פורסם המאמר שהתקבל תחת שמו בלבד. הוא קיבל תואר שני (M.Sc.) בשנת 1913 ומונה לעמית באייר. באותה שנה הוענקה לו מלגת תערוכת 1851, שאפשרה לו ללמוד ולחקור באוניברסיטה ביבשת אירופה. הוא בחר ללכת למכון הפיזיקלי-טכני הממלכתי (Physikalisch-Technische Reichsanstalt) בברלין כדי לחקור קרינת בטא תחת הנס גייגר. באמצעות מונה גייגר שפותח לאחרונה, שסיפק דיוק רב יותר מהטכניקות הצילומיות המוקדמות, הוא הצליח להוכיח שקרינת בטא אינה מייצרת קווים בדידים, כפי שחשבו בעבר, אלא ספקטרום רציף עם שיאים באזורים מסוימים. בביקור במעבדתו של גייגר, אמר אלברט איינשטיין לצ'דוויק: "אני יכול להסביר כל אחד מהדברים האלה, אבל אני לא יכול להסביר את שניהם בו-זמנית." הספקטרום הרציף יישאר תופעה בלתי מוסברת במשך שנים רבות.
צ'דוויק עדיין שהה בגרמניה בתחילת מלחמת העולם הראשונה, ונכלא במחנה המעצר רוהלבן ליד ברלין, שם הורשה להקים מעבדה באורוות ולבצע ניסויים מדעיים באמצעות חומרים מאולתרים כמו משחת שיניים רדיואקטיבית. בעזרתו של צ'ארלס דראמונד אליס, הוא עבד על יינון זרחן, ועל התגובה הפוטוכימית של פחמן חד-חמצני וכלור. הוא שוחרר לאחר שהסכם שביתת הנשק עם גרמניה נכנס לתוקף בנובמבר 1918, וחזר לבית הוריו במנצ'סטר, שם כתב את ממצאיו מארבע השנים הקודמות עבור נציבי תערוכת 1851.
רתרפורד נתן לצ'דוויק משרת הוראה חלקית במנצ'סטר, מה שאפשר לו להמשיך במחקר. הוא בחן את המטען הגרעיני של פלטינה, כסף ונחושת, ומצא בניסוי שזה זהה למספר האטומי בטעות של פחות מ-1.5 אחוזים. באפריל 1919 הפך רתרפורד למנהל מעבדת קוונדיש באוניברסיטת קיימברידג', וצ'דוויק הצטרף אליו שם כמה חודשים לאחר מכן. צ'דוויק קיבל מלגת קלרק מקסוול בשנת 1920, ונרשם כסטודנט לדוקטורט בקולג' גונוויל וקאיוס, קיימברידג'. החצי הראשון של התזה שלו היה עבודתו עם מספרים אטומיים; בשני, הוא בחן את הכוחות בתוך הגרעין. הוא קיבל את התואר שלו ביוני 1921, והפך לעמית בקולג' גונוויל וקאיוס בנובמבר.
קריירה ומחקר
### קיימברידג'
מלגת קלרק מקסוול של צ'דוויק פגה בשנת 1923, ואחריו הגיע הפיזיקאי הרוסי פיוטר קפיצה. יו"ר המועצה המייעצת של המחלקה למחקר מדעי ותעשייתי, סר ויליאם מקורמיק, דאג לכך שצ'דוויק יהפוך לסגן מנהל המחקר של רתרפורד. בתפקיד זה הוא עזר לרתרפורד לבחור סטודנטים לדוקטורט. במהלך השנים הבאות אלה כללו את ג'ון קוקרופט, נורמן פת'ר ומארק אוליפנט, שיהפכו לחברים קרובים של צ'דוויק. מכיוון שלסטודנטים רבים לא היה מושג מה הם רוצים לחקור, רתרפורד וצ'דוויק היו מציעים נושאים. הוא ערך את כל המאמרים שהופקו על ידי המעבדה.
בשנת 1925 פגש צ'דוויק את איילין סטיוארט-בראון, בתו של ברוקר מליברפול. השניים נישאו באוגוסט 1925, כשקפיצה משמש כשושבין. לזוג נולדו תאומות, ג'ואנה וג'ודית, שנולדו בפברואר 1927.
במחקרו המשיך צ'דוויק לחקור את הגרעין. בשנת 1925, מושג הספין אפשר לפיזיקאים להסביר את אפקט זימן, אך הוא גם יצר אנומליות בלתי מוסברות. באותה תקופה האמינו שהגרעין מורכב מפרוטונים ואלקטרונים, ולכן הניחו שהגרעין של חנקן, למשל, עם מספר מסה של 14, מכיל 14 פרוטונים ו-7 אלקטרונים. זה נתן לו את המסה והמטען הנכונים, אך את הספין הלא נכון.
בכנס בקיימברידג' על חלקיקי בטא וקרני גמא בשנת 1928, פגש צ'דוויק שוב את גייגר. גייגר הביא איתו דגם חדש של מונה גייגר שלו, ששופר על ידי תלמידו, ולטר מילר. צ'דוויק לא השתמש באחד כזה מאז המלחמה, והמונה גייגר-מילר החדש היה שיפור משמעותי פוטנציאלי על פני טכניקות הנצנוץ שהיו בשימוש אז בקיימברידג', שהסתמכו על העין האנושית לתצפית. החיסרון העיקרי בו היה שהוא זיהה קרינת אלפא, בטא וגמא, ורדיום, שמעבדת קוונדיש השתמשה בו בדרך כלל בניסוייה, פלט את שלושתם, ולכן לא היה מתאים למה שצ'דוויק תכנן. עם זאת, פולוניום הוא פולט אלפא, וליזה מייטנר שלחה לצ'דוויק כ-2 מיליקירי (כ-0.5 מיקרוגרם) מגרמניה.
### ליברפול
עם תחילת השפל הגדול בממלכה המאוחדת, הממשלה הפכה לקמצנית יותר במימון המדע. במקביל, המצאתו האחרונה של לורנס, הציקלוטרון, הבטיחה לחולל מהפכה בפיזיקה גרעינית ניסויית, וצ'דוויק הרגיש שמעבדת קוונדיש תישאר מאחור אלא אם כן תרכוש אחד כזה. לכן הוא התמרמר תחת רתרפורד, שדבק באמונה שניתן לבצע פיזיקה גרעינית טובה גם ללא ציוד גדול ויקר, ודחה את הבקשה לציקלוטרון.
צ'דוויק היה מבקר של "המדע הגדול" בכלל, ושל לורנס בפרט, שאת גישתו החשיב כרשלנית וממוקדת בטכנולוגיה על חשבון המדע. כאשר לורנס הציע את קיומו של חלקיק חדש ובלתי ידוע עד כה שלטענתו היה מקור אפשרי לאנרגיה בלתי מוגבלת בכנס סולווה ב-1933, צ'דוויק הגיב שהתוצאות סבירות יותר לייחוס לזיהום של הציוד. בעוד שלורנס בדק מחדש את תוצאותיו בברקלי וגילה שצ'דוויק צדק, רתרפורד ואוליפנט ערכו חקירה בקוונדיש שמצאה שדאוטריום מתמזג ליצירת הליום-3, ובכך גורם לאפקט שלורנס צפה בו. זו הייתה תגלית גדולה נוספת, אך מאיץ החלקיקים של אוליפנט-רתרפורד היה ציוד יקר ומתקדם.
במרץ 1935 קיבל צ'דוויק הצעה לקתדרת ליון ג'ונס לפיזיקה באוניברסיטת ליברפול, בעיר הולדתה של אשתו, כדי להחליף את ליונל וילברפורס. המעבדה הייתה כה מיושנת שהיא עדיין פעלה על חשמל בזרם ישר, אך צ'דוויק ניצל את ההזדמנות, ונכנס לתפקידו ב-1 באוקטובר 1935. יוקרת האוניברסיטה התחזקה עד מהרה על ידי פרס נובל של צ'דוויק, שהוכרז בנובמבר 1935. המדליה שלו נמכרה במכירה פומבית בשנת 2014 תמורת 329,000 דולר.
צ'דוויק החל לרכוש ציקלוטרון עבור ליברפול. הוא התחיל בהוצאת 700 ליש"ט לשיפוץ המעבדות המיושנות בליברפול, כך שניתן יהיה לייצר חלק מהרכיבים בתוך הבית. הוא הצליח לשכנע את האוניברסיטה לספק 2,000 ליש"ט וקיבל מענק של 2,000 ליש"ט נוספים מהחברה המלכותית. כדי לבנות את הציקלוטרון שלו, צ'דוויק הביא שני מומחים צעירים, ברנרד קינסי והרולד ווק, שעבדו עם לורנס באוניברסיטת קליפורניה. יצרן כבלים מקומי תרם את מוליך הנחושת לסלילים. המגנט של הציקלוטרון במשקל 50 טון יוצר בטראפורד פארק על ידי מטרופוליטן-ויקרס, שייצרה גם את תא הוואקום. הציקלוטרון הותקן במלואו והופעל ביולי 1939. העלות הכוללת של 5,184 ליש"ט הייתה גבוהה יותר ממה שצ'דוויק קיבל מהאוניברסיטה ומהחברה המלכותית, ולכן צ'דוויק שילם את השאר מכספי פרס נובל שלו בסך 159,917 קרונות (8,243 ליש"ט).
בליברפול, הפקולטות לרפואה ומדע עבדו יחד בשיתוף פעולה הדוק. צ'דוויק היה אוטומטית חבר בוועדה של שתי הפקולטות, וב-1938 מונה לוועדה בראשות לורד דרבי לחקירת ההסדרים לטיפול בסרטן בליברפול. צ'דוויק צפה כי נייטרונים ואיזוטופים רדיואקטיביים המיוצרים עם הציקלוטרון בגודל 37 אינץ' יוכלו לשמש לחקר תהליכים ביוכימיים, ועשויים להפוך לנשק במאבק בסרטן.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →גילוי הנייטרון
בגרמניה, ולטר בותה ותלמידו, הרברט בקר, השתמשו בפולוניום כדי להפציץ בריליום בחלקיקי אלפא, מה שהפיק צורה יוצאת דופן של קרינה. צ'דוויק ביקש ממלגאי תערוכת 1851 האוסטרלי שלו, יו וובסטר, לשכפל את תוצאותיהם. עבור צ'דוויק, זו הייתה עדות למשהו שהוא ורתרפורד שיערו במשך שנים: הנייטרון, חלקיק גרעיני תיאורטי ללא מטען חשמלי. לאחר מכן, בינואר 1932, פת'ר הפנה את תשומת ליבו של צ'דוויק לתוצאה מפתיעה נוספת. פרדריק ואירן ז'וליו-קירי הצליחו להוציא פרוטונים משעוות פרפין באמצעות פולוניום ובריליום כמקור למה שחשבו שהוא קרינת גמא. רתרפורד וצ'דוויק לא הסכימו; פרוטונים היו כבדים מדי בשביל זה. אבל נייטרונים יזדקקו רק לכמות קטנה של אנרגיה כדי להשיג את אותה השפעה. ברומא, אטורה מיורנה הגיע לאותה מסקנה: הז'וליו-קירי גילו את הנייטרון אך לא ידעו זאת.
צ'דוויק זנח את כל שאר תחומי האחריות שלו כדי להתרכז בהוכחת קיומו של הנייטרון, בסיוע פת'ר ולעיתים קרובות עבד עד שעות הלילה המאוחרות. הוא המציא מכשיר פשוט שהורכב מגליל המכיל מקור פולוניום ומטרה של בריליום. את הקרינה שהתקבלה ניתן היה לכוון לחומר כגון שעוות פרפין. החלקיקים שנעקרו, שהיו פרוטונים, נכנסו לתא יינון קטן שבו ניתן היה לזהות אותם באמצעות אוסצילוסקופ. בפברואר 1932, לאחר כשבועיים בלבד של ניסויים עם נייטרונים, שלח צ'דוויק מכתב ל-Nature שכותרתו "קיום אפשרי של נייטרון". הוא מסר את ממצאיו בפירוט במאמר שנשלח ל-Proceedings of the Royal Society A שכותרתו "קיומו של נייטרון" במאי. גילוי הנייטרון על ידו היה אבן דרך בהבנת הגרעין. בקריאת מאמרו של צ'דוויק, רוברט באכר ואדוארד קונדון הבינו שאנומליות בתיאוריה הנוכחית דאז, כמו הספין של חנקן, ייפתרו אם לנייטרון יש ספין של 1/2 וכי גרעין חנקן מורכב משבעה פרוטונים ושבעה נייטרונים.
הפיזיקאים התיאורטיים נילס בוהר וורנר הייזנברג שקלו האם הנייטרון יכול להיות חלקיק גרעיני יסודי כמו הפרוטון והאלקטרון, במקום זוג פרוטון-אלקטרון. הייזנברג הראה שהנייטרון מתואר בצורה הטובה ביותר כחלקיק גרעיני חדש, אך טבעו המדויק נותר לא ברור. בהרצאת בייקריאן שלו ב-1933, העריך צ'דוויק שלנייטרון יש מסה של כ-1.0067 דלטון. מכיוון שלפרוטון ואלקטרון הייתה מסה משולבת של 1.0078 יחידות מסה אטומית, זה רמז שלנייטרון כתרכובת פרוטון-אלקטרון יש אנרגיית קשר של כ-2 MeV, מה שנשמע סביר, אם כי היה קשה להבין איך חלקיק עם כל כך מעט אנרגיית קשר יכול להיות יציב. הערכת הפרש מסה כה קטן דרשה מדידות מדויקות ומאתגרות, עם זאת, וכמה תוצאות סותרות התקבלו בשנים 1933–1934. על ידי הפצצת בורון בחלקיקי אלפא, פרדריק ואירן ז'וליו-קירי קיבלו ערך גדול למסת נייטרון, אך הצוות של ארנסט לורנס באוניברסיטת קליפורניה הפיק ערך קטן. אז מוריס גולדבר, פליט מגרמניה הנאצית וסטודנט לתואר שני במעבדת קוונדיש, הציע לצ'דוויק שניתן לפרק דאוטרונים על ידי קרני הגמא של 2.6 MeV של תליום (אז ידוע כתוריום C"):
ניתן היה לקבוע ערך מדויק למסת הנייטרון מתהליך זה. צ'דוויק וגולדבר ניסו זאת ומצאו שזה עובד. הם מדדו את האנרגיה הקינטית של הפרוטון שהופק כ-1.05 MeV, והשאירו את מסת הנייטרון כנעלם במשוואה. צ'דוויק וגולדבר חישבו שהיא הייתה 1.0084 או 1.0090 יחידות אטומיות, תלוי בערכים ששימשו למסות הפרוטון והדאוטרון. (הערך המקובל המודרני למסת הנייטרון הוא 1.00866 דלטון.) מסת הנייטרון הייתה גדולה מדי מכדי להיות זוג פרוטון-אלקטרון.
על גילוי הנייטרון הוענקו לצ'דוויק מדליית יוז ב-1932, פרס נובל לפיזיקה ב-1935, מדליית קופלי ב-1950 ומדליית פרנקלין ב-1951. גילוי הנייטרון על ידו אפשר לייצר במעבדה יסודות כבדים מאורניום על ידי לכידת נייטרונים איטיים ואחריהם דעיכת בטא. בניגוד לחלקיקי אלפא בעלי מטען חיובי, הנדחים על ידי הכוחות החשמליים הקיימים בגרעינים של אטומים אחרים, נייטרונים אינם צריכים להתגבר על מחסום קולון כלשהו, ולכן יכולים לחדור ולהיכנס לגרעינים של אפילו היסודות הכבדים ביותר כגון אורניום. זה עורר את אנריקו פרמי לחקור את התגובות הגרעיניות שנגרמו על ידי התנגשויות של גרעינים עם נייטרונים איטיים, עבודה שעליה יקבל פרמי את פרס נובל ב-1938.
וולפגנג פאולי הציע סוג אחר של חלקיק ב-4 בדצמבר 1930 כדי להסביר את הספקטרום הרציף של קרינת בטא שצ'דוויק דיווח עליו ב-1914. מכיוון שלא ניתן היה להסביר את כל האנרגיה של קרינת בטא, נראה היה שחוק שימור האנרגיה מופר, אך פאולי טען שניתן לתקן זאת אם מעורב חלקיק אחר, בלתי ידוע. פאולי גם כינה את החלקיק הזה נייטרון, אך ברור שזה לא היה אותו חלקיק כמו הנייטרון של צ'דוויק. פרמי שינה את שמו לנייטרינו (באיטלקית "נייטרון קטן"). בשנת 1934 הציע פרמי את תיאוריית דעיכת הבטא שלו שהסבירה שהאלקטרונים הנפלטים מהגרעין נוצרו על ידי דעיכה של נייטרון לפרוטון, אלקטרון ונייטרינו. הנייטרינו יכול היה להסביר את האנרגיה החסרה, אך חלקיק עם מעט מסה וללא מטען חשמלי היה קשה לצפייה. רודולף פיירלס והנס בתה חישבו שנייטרינו יכולים לעבור בקלות דרך כדור הארץ, כך שהסיכויים לזהות אותם היו קלושים. פרדריק ריינס וקלייד קוואן יאשרו את הנייטרינו ב-14 ביוני 1956 על ידי הצבת גלאי בתוך שטף אנטי-נייטרינו גדול מכור גרעיני סמוך.
מלחמת העולם השנייה
### סגסוגות צינור (Tube Alloys) ודו"ח MAUD
במהלך מלחמת העולם השנייה, צ'דוויק ביצע מחקר כחלק מפרויקט סגסוגות הצינור (Tube Alloys) לבניית פצצה אטומית, בעוד המעבדה שלו במנצ'סטר וסביבתה הוטרדו על ידי הפצצות הלופטוואפה. כאשר הסכם קוויבק מיזג את הפרויקט שלו עם פרויקט מנהטן האמריקאי, הוא הפך לחלק מהמשלחת הבריטית, ועבד במעבדת לוס אלמוס ובוושינגטון די.סי. הוא הפתיע את כולם בכך שזכה לאמונו הכמעט מלא של מנהל הפרויקט לסלי ר. גרובס הבן. על מאמציו קיבל צ'דוויק תואר אבירות בכיבודים של ראש השנה ב-1 בינואר 1945. ביולי 1945 הוא צפה בניסוי הגרעיני טריניטי. לאחר מכן שימש כיועץ המדעי הבריטי לוועדת האנרגיה האטומית של האומות המאוחדות. לא בנוח עם המגמה לעבר "מדע גדול", הוא חזר לקיימברידג' שם הפך למאסטר של קולג' גונוויל וקאיוס ב-1948.
בגרמניה, אוטו האן ופריץ שטרסמן הפציצו אורניום בנייטרונים, וציינו כי בריום, יסוד קל יותר, היה בין התוצרים שהופקו. עד כה, רק יסודות זהים או כבדים יותר הופקו על ידי התהליך. בינואר 1939, מייטנר ואחיינה אוטו פריש הדהימו את הקהילה הפיזיקלית עם מאמר שהסביר תוצאה זו. הם שיערו שאטומי אורניום המופצצים בנייטרונים יכולים להתפרק לשני שברים שווים בערך, תהליך שהם כינו ביקוע. הם חישבו שזה יביא לשחרור של כ-200 MeV, מה שמרמז על שחרור אנרגיה בסדרי גודל גדולים יותר מתגובות כימיות, ופריש אישר את התיאוריה שלהם בניסוי. עד מהרה צוין על ידי האן שאם נייטרונים משתחררים במהלך ביקוע, אזי תגובת שרשרת אפשרית. מדענים צרפתים פייר ז'וליו, הנס פון הלבאן ולואו קווארסקי אימתו עד מהרה שיותר מנייטרון אחד אכן נפלט לכל ביקוע. במאמר שנכתב בשיתוף עם הפיזיקאי האמריקאי ג'ון וילר, שיער בוהר שביקוע סביר יותר להתרחש באיזוטופ אורניום-235, שהיווה רק 0.7 אחוז מהאורניום הטבעי.
צ'דוויק לא האמין שיש סבירות למלחמה נוספת עם גרמניה ב-1939, ולקח את משפחתו לחופשה באגם מרוחק בצפון שוודיה. החדשות על פרוץ מלחמת העולם השנייה הגיעו לכן כהלם. נחוש לא לבלות מלחמה נוספת במחנה מעצר, צ'דוויק עשה את דרכו לסטוקהולם מהר ככל שיכול, אך כשהגיע לשם עם משפחתו, גילה שכל התעופה האווירית בין סטוקהולם ללונדון הושעתה. הם עשו את דרכם חזרה לאנגליה על ספינת משא. כשהגיע לליברפול, גילה צ'דוויק שג'וזף רוטבלט, עמית פוסט-דוקטורט פולני שהגיע לעבוד עם הציקלוטרון, היה כעת חסר כל, שכן נותק מכספים מפולין. צ'דוויק שכר מיד את רוטבלט כמרצה, למרות שליטתו הדלה באנגלית.
באוקטובר 1939 קיבל צ'דוויק מכתב מאדוארד אפלטון, מזכיר המחלקה למחקר מדעי ותעשייתי, שביקש את חוות דעתו על היתכנות פצצה אטומית. צ'דוויק הגיב בזהירות. הוא לא שלל את האפשרות, אך עבר בזהירות על הקשיים התיאורטיים והמעשיים הרבים הכרוכים בכך. צ'דוויק החליט לחקור את תכונות תחמוצת האורניום עוד יותר עם רוטבלט. במרץ 1940, אוטו פריש ורודולף פיירלס מאוניברסיטת ברמינגהאם בחנו מחדש את הסוגיות התיאורטיות הכרוכות במאמר שהפך לידוע כ"מזכר פריש-פיירלס". במקום להסתכל על תחמוצת אורניום לא מועשרת, הם שקלו מה יקרה לכדור של אורניום-235 טהור, ומצאו שלא רק שתגובת שרשרת יכולה להתרחש, אלא שהיא עשויה לדרוש מעט כ-1 קילוגרם (2.2 ליברות) של אורניום-235, ולשחרר את האנרגיה של טונות של דינמיט.
ועדת משנה מיוחדת של הוועדה לסקר מדעי של לוחמה אווירית (CSSAW), הידועה כוועדת MAUD, הוקמה כדי לחקור את העניין עוד יותר. היא נוהלה על ידי ג'ורג' פאג'ט תומסון, וחברותה המקורית כללה את צ'דוויק, יחד עם מארק אוליפנט, ג'ון קוקרופט ופיליפ מון. בעוד צוותים אחרים חקרו טכניקות העשרת אורניום, הצוות של צ'דוויק בליברפול התרכז בקביעת חתך הפעולה הגרעיני של אורניום-235. עד אפריל 1941, אושר בניסוי שהמסה הקריטית של אורניום-235 עשויה להיות 8 קילוגרם (18 ליברות) או פחות. מחקרו בנושאים כאלה סובך על ידי הפצצות בלתי פוסקות כמעט של הלופטוואפה על סביבות המעבדה שלו בליברפול; החלונות נופצו לעיתים כה קרובות שהוחלפו בקרטון.
ביולי 1941 נבחר צ'דוויק לכתוב את הטיוטה הסופית של דו"ח MAUD, שכאשר הוצג על ידי וניבר בוש לנשיא פרנקלין ד. רוזוולט באוקטובר 1941, עורר את ממשלת ארה"ב להזרים מיליוני דולרים למרדף אחר פצצה אטומית. כשג'ורג' ב. פגרם והרולד יורי ביקרו בבריטניה כדי לראות איך הפרויקט, הידוע כעת כסגסוגות צינור (Tube Alloys), מתקדם, צ'דוויק יכול היה לומר להם: "הלוואי שיכולתי לומר לכם שהפצצה לא הולכת לעבוד, אבל אני בטוח ב-90 אחוז שהיא תעבוד."
בספר שנכתב לאחרונה על פרויקט הפצצה, כתב גרהם פארמלו ש"צ'דוויק עשה יותר מכל מדען אחר כדי לתת לצ'רצ'יל את הפצצה. ... צ'דוויק נבחן כמעט עד נקודת השבירה." כה מודאג שלא יכול היה לישון, צ'דוויק פנה לכדורי שינה, אותם המשיך לקחת במשך רוב שנותיו הנותרות. צ'דוויק אמר מאוחר יותר שהוא הבין ש"פצצה גרעינית היא לא רק אפשרית – היא בלתי נמנעת. במוקדם או במאוחר הרעיונות האלה לא יכולים להיות ייחודיים לנו. כולם יחשבו עליהם בקרוב, ואיזושהי מדינה תצא לפועל איתם". סר הרמן בונדי הציע שהיה זה מזל שצ'דוויק, לא רתרפורד, היה הדואן של הפיזיקה בבריטניה באותה תקופה, שכן יוקרתו של האחרון הייתה עלולה אחרת לגבור על העניין של צ'דוויק ב"מבט קדימה" לעבר סיכויי הפצצה.
### פרויקט מנהטן
בשל הסכנה מהפצצות אוויריות, משפחת צ'דוויק שלחה את התאומות לקנדה כחלק מתוכנית פינוי ממשלתית. צ'דוויק לא רצה להעביר את סגסוגות הצינור לשם, מתוך אמונה שהממלכה המאוחדת היא מיקום טוב יותר למפעל הפרדת האיזוטופים. ההיקף העצום של המאמץ הפך ברור יותר ב-1942: אפילו מפעל הפרדה פיילוט יעלה מעל מיליון ליש"ט ויאמץ את משאבי בריטניה, שלא לדבר על מפעל בקנה מידה מלא, שהוערך בעלות של איפשהו בסביבות 25 מיליון ליש"ט. הוא יצטרך להיבנות באמריקה. באותו זמן שהבריטים השתכנעו שפרויקט משותף הוא הכרחי, ההתקדמות של פרויקט מנהטן האמריקאי הייתה כזו ששיתוף פעולה בריטי נראה פחות חיוני, אם כי האמריקאים עדיין היו להוטים להשתמש בכישרונותיו של צ'דוויק.
עניין שיתוף הפעולה היה צריך להיות מטופל ברמה הגבוהה ביותר. בספטמבר 1943, ראש הממשלה וינסטון צ'רצ'יל והנשיא רוזוולט ניהלו משא ומתן על הסכם קוויבק, שהחזיר את שיתוף הפעולה בין בריטניה, ארצות הברית וקנדה. צ'דוויק, אוליפנט, פיירלס וסיימון זומנו לארצות הברית על ידי מנהל סגסוגות הצינור, סר וואלאס אייקרס, לעבוד עם פרויקט מנהטן. הסכם קוויבק הקים ועדת מדיניות משולבת חדשה שתנהל את הפרויקט המשותף. האמריקאים לא אהבו את אייקרס, ולכן צ'דוויק מונה ליועץ טכני לוועדת המדיניות המשולבת, ולראש המשלחת הבריטית.
כשהשאיר את רוטבלט אחראי בליברפול, צ'דוויק החל סיור במתקני פרויקט מנהטן בנובמבר 1943, למעט אתר הנפורד שבו יוצר פלוטוניום, אותו לא הורשה לראות. הוא הפך לאדם היחיד, מלבד גרובס וסגנו, שהייתה לו גישה לכל מתקני המחקר והייצור האמריקאיים לפצצת האורניום. בצפותו בעבודה על מתקן הדיפוזיה הגזית K-25 באוק רידג', טנסי, הבין צ'דוויק כמה טעה לגבי בניית המפעל בבריטניה בזמן מלחמה. המבנה העצום לעולם לא היה יכול להיות מוסתר מהלופטוואפה. בתחילת 1944 הוא עבר ללוס אלמוס, ניו מקסיקו, עם אשתו והתאומות, שכעת דיברו במבטא קנדי. מסיבות ביטחוניות, ניתן לו שם הכיסוי ג'יימס צ'אפי.
צ'דוויק קיבל את העובדה שהאמריקאים לא זקוקים לעזרה בריטית, אך היא עדיין יכולה להיות שימושית בהבאת הפרויקט לסיום מוקדם ומוצלח. בעבודה צמודה עם מנהל פרויקט מנהטן, מייג'ור גנרל לסלי ר. גרובס הבן, הוא ניסה לעשות כל שביכולתו כדי לתמוך במאמץ. הוא גם השתדל להציב מדענים בריטים בחלקים רבים ככל האפשר של הפרויקט כדי להקל על פרויקט נשק גרעיני בריטי לאחר המלחמה, שאליו צ'דוויק היה מחויב. בקשות מגרובס דרך צ'דוויק למדענים מסוימים נטו להיתקל בדחייה מיידית על ידי החברה, המשרד או האוניברסיטה המעסיקים אותם כעת, רק כדי להתגבר על ידי העדיפות העליונה שניתנה לסגסוגות הצינור. כתוצאה מכך, הצוות הבריטי היה קריטי להצלחת הפרויקט.
למרות שהיה לו ידע רב יותר על הפרויקט מכל אחד אחר מבריטניה, לצ'דוויק לא הייתה גישה לאתר הנפורד. ללורד פורטל הוצע סיור בהנפורד ב-1946. "זה היה המפעל היחיד שלו צ'דוויק נמנעה גישה בזמן המלחמה, ועכשיו הוא שאל את גרובס אם הוא יכול ללוות את פורטל. גרובס השיב שהוא יכול, אבל אם יעשה זאת אז 'פורטל לא יראה הרבה'." על מאמציו קיבל צ'דוויק תואר אבירות בכיבודים של ראש השנה ב-1 בינואר 1945. הוא ראה בכך הכרה בעבודה של כל פרויקט סגסוגות הצינור.
בתחילת 1945, צ'דוויק בילה את רוב זמנו בוושינגטון די.סי., ומשפחתו עברה מלוס אלמוס לבית בכיכר דופונט בוושינגטון באפריל 1945. הוא נכח בפגישת ועדת המדיניות המשולבת ב-4 ביולי כאשר פילדמרשל סר הנרי מייטלנד וילסון נתן את הסכמת בריטניה להשתמש בפצצה אטומית נגד יפן, ובניסוי הגרעיני טריניטי ב-16 ביולי, כאשר הפצצה האטומית הראשונה פוצצה. בתוך הליבה שלה היה יוזם נייטרונים מאופנן פולוניום-בריליום, פיתוח של הטכניקה שצ'דוויק השתמש בה כדי לגלות את הנייטרון למעלה מעשור לפני כן. ויליאם ל. לורנס, כתב מהניו יורק טיימס שצורף לפרויקט מנהטן, כתב ש"מעולם בהיסטוריה לא חי אדם לראות את תגליתו שלו מתממשת בהשפעה כה מכרעת על גורל האדם."
חיים מאוחרים
זמן קצר לאחר סיום המלחמה, מונה צ'דוויק לוועדה המייעצת לאנרגיה אטומית (ACAE). הוא מונה גם כיועץ המדעי הבריטי לוועדת האנרגיה האטומית של האומות המאוחדות. הוא התנגש עם חבר ACAE פטריק בלאקט, שלא הסכים עם שכנועו של צ'דוויק שבריטניה צריכה לרכוש נשק גרעיני משלה; אך זו הייתה עמדתו של צ'דוויק שאומצה בסופו של דבר. הוא חזר לבריטניה ב-1946, ומצא מדינה שעדיין שרויה בקיצוב ומחסור של ימי מלחמה.
בתקופה זו, סר ג'יימס מאונטפורד, סגן נשיא אוניברסיטת ליברפול, כתב ביומנו "הוא מעולם לא ראה אדם 'כל כך עייף פיזית, נפשית ורוחנית' כמו צ'דוויק, שכן הוא 'צלל למעמקים כאלה של החלטה מוסרית שאנשים ברי מזל יותר לעולם לא נקראים אפילו להציץ לתוכם ... [וסבל] ... ייסורי אחריות כמעט בלתי נסבלים הנובעים מעבודתו המדעית'."
בספטמבר 1949 אדוארד טלר היה באנגליה כדי לדון באנרגיה גרעינית ובטיחות, וסעד עם סר ג'יימס צ'דוויק ואשתו בביתם בקיימברידג'. אשתו הייתה בת שיחה מקסימה אך סר ג'יימס היה (כרגיל) שתקן. כשטלר העיר הערה לא מחמיאה על גרובס, הוא הפך לפטפטן מאוד, ואמר שהפרויקט לעולם לא היה מצליח ללא גרובס: תוך הכרה בסלידתו מהבריטים.
בשנת 1948 קיבל צ'דוויק הצעה להפוך למאסטר של קולג' גונוויל וקאיוס, קיימברידג'. העבודה הייתה יוקרתית אך לא מוגדרת היטב; המאסטר היה הראש התואר של הקולג', אך הסמכות הייתה למעשה במועצה של 13 עמיתים, שאחד מהם היה המאסטר. כמאסטר, צ'דוויק שאף לשפר את המוניטין האקדמי של הקולג'. הוא הגדיל את מספר מלגות המחקר מ-31 ל-49, וביקש להביא כישרונות לקולג'. זה כלל החלטות שנויות במחלוקת, כגון העסקת הביוכימאי הסיני טיין-צ'ין צאו והכלכלן יליד הונגריה פיטר באואר ב-1951. במה שהפך לידוע כ"מרד האיכרים", עמיתים בהובלת פטריק הדלי הצביעו על הוצאת חבר ותיק של צ'דוויק מהמועצה והחלפתו בבאואר. עוד חברים של צ'דוויק הוסרו במהלך השנים הבאות, והוא פרש בנובמבר 1958. במהלך כהונתו כמאסטר גילו פרנסיס קריק, סטודנט לדוקטורט בקולג' גונוויל וקאיוס, רוזלינד פרנקלין וג'יימס ווטסון את מבנה ה-DNA.
בשנות ה-70 צ'דוויק הפך לשברירי יותר, ולעיתים רחוקות עזב את דירתו, אם כי נסע לליברפול לחגיגות יום הולדתו השמונים. אתאיסט כל חייו, הוא לא ראה סיבה לאמץ אמונה דתית בגיל מבוגר. הוא מת בשנתו ב-24 ביולי 1974 בקיימברידג' בגיל 82.
הכרה
### חברות בארגונים
### פרסים
### תוארי אבירות
הנצחה
מסמכיו של צ'דוויק מוחזקים במרכז הארכיונים צ'רצ'יל בקיימברידג', ונגישים לציבור.
- מעבדת צ'דוויק באוניברסיטת ליברפול.
- קתדרת סר ג'יימס צ'דוויק לפיזיקה ניסויית, גם היא באוניברסיטת ליברפול. נקראה ב-1991 כחלק מחגיגות המאה להולדתו.
- בניין ג'יימס צ'דוויק, המאכלס חלק מבית הספר להנדסה כימית ומדעים אנליטיים, אוניברסיטת מנצ'סטר, וכן את המרכז התעשייתי להנדסה בת-קיימא.
- צ'דוויק תואר על ידי ההיסטוריונית הרשמית של רשות האנרגיה האטומית של הממלכה המאוחדת, לורנה ארנולד, כ"פיזיקאי, מדען-דיפלומט, ואדם טוב, חכם ואנושי."