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Ernest Orlando Lawrence fue un destacado científico nuclear estadounidense y ganador del Premio Nobel de Física en 1939 por su invención del ciclotrón. Es conocido por su trabajo en la separación de isótopos de uranio para el Proyecto Manhattan, así como por fundar el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
Graduado de la Universidad de Dakota del Sur y la Universidad de Minnesota, Lawrence obtuvo un doctorado en física en Yale en 1925. En 1928, fue contratado como profesor asociado de física en la Universidad de California, Berkeley, convirtiéndose en el profesor titular más joven allí dos años después. Una noche en su biblioteca, Lawrence quedó intrigado por un diagrama de un acelerador que producía partículas de alta energía. Reflexionó sobre cómo podría hacerse más compacto e ideó un método para crear una cámara aceleradora circular entre los polos de un electroimán. El resultado fue el primer ciclotrón.
Lawrence continuó construyendo una serie de ciclotrones cada vez más grandes y costosos. Su Laboratorio de Radiación se convirtió en un departamento oficial de la Universidad de California en 1936, con Lawrence como su director. Además del uso del ciclotrón para la física, Lawrence también apoyó su uso en la investigación de aplicaciones médicas de radioisótopos. Durante la Segunda Guerra Mundial, Lawrence desarrolló la separación electromagnética de isótopos en el Laboratorio de Radiación. Utilizaba dispositivos conocidos como calutrón, un híbrido entre el espectrómetro de masas de laboratorio estándar y el ciclotrón. Se construyó una enorme planta de separación electromagnética en Oak Ridge, Tennessee, que llegó a ser conocida como Y-12. El proceso era ineficiente, pero funcionaba.
Después de la guerra, Lawrence hizo campaña extensamente por el patrocinio gubernamental de grandes programas científicos y fue un defensor decidido de la "Gran Ciencia", con sus requisitos de máquinas grandes y mucho dinero. Lawrence respalió fuertemente la campaña de Edward Teller para un segundo laboratorio de armas nucleares, que Lawrence ubicó en Livermore, California. Después de su muerte, los Regentes de la Universidad de California renombraron el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en su honor. El elemento químico número 103 fue nombrado laurencio en su honor después de su descubrimiento en Berkeley en 1961.
Primeros años
Ernest Orlando Lawrence nació en Canton, Dakota del Sur el 8 de agosto de 1901. Sus padres, Carl Gustavus y Gunda née Jacobson Lawrence, eran ambos descendientes de inmigrantes noruegos que se habían conocido mientras enseñaban en la escuela secundaria de Canton, donde su padre también era superintendente de escuelas. Tenía un hermano menor, John H. Lawrence, quien se convertiría en médico y fue pionero en el campo de la medicina nuclear. Durante su infancia, su mejor amigo fue Merle Tuve, quien también se convertiría en un físico muy destacado.
Lawrence asistió a las escuelas públicas de Canton y Pierre, luego se inscribió en St. Olaf College en Northfield, Minnesota, pero se trasladó después de un año a la Universidad de Dakota del Sur en Vermillion. Completó su licenciatura en química en 1922 y su título de Maestría en Artes (M.A.) en física de la Universidad de Minnesota en 1923 bajo la supervisión de William Francis Gray Swann. Para su tesis de maestría, Lawrence construyó un aparato experimental que hacía rotar un elipsoide a través de un campo magnético.
Lawrence siguió a Swann a la Universidad de Chicago, y luego a la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut, donde Lawrence completó su título de Doctor en Filosofía (Ph.D.) en física en 1925 como Becario Sloane, escribiendo su tesis doctoral sobre el efecto fotoeléctrico en vapor de potasio. Fue elegido miembro de Sigma Xi y, bajo la recomendación de Swann, recibió una beca del Consejo Nacional de Investigación. En lugar de usarla para viajar a Europa, como era costumbre en ese momento, permaneció en la Universidad de Yale con Swann como investigador.
Con Jesse Beams de la Universidad de Virginia, Lawrence continuó investigando el efecto fotoeléctrico. Demostraron que los fotoelectrones aparecían dentro de 2 x 10−9 segundos del impacto de los fotones en la superficie fotoeléctrica, cerca del límite de medición en ese momento. Reducir el tiempo de emisión al encender y apagar rápidamente la fuente de luz hizo que el espectro de energía emitida fuera más amplio, en conformidad con el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg.
Carrera temprana
En 1926 y 1927, Lawrence recibió ofertas de profesorados asociados de la Universidad de Washington en Seattle y la Universidad de California a un salario de $3.500 por año. Yale rápidamente igualó la oferta del profesorado asociado, pero a un salario de $3.000. Lawrence eligió quedarse en Yale, más prestigiosa, pero como nunca había sido instructor, la designación fue resentida por algunos de sus colegas de la facultad, y a los ojos de muchos aún no compensaba su origen de inmigrante de Dakota del Sur.
Lawrence fue contratado como profesor asociado de física en la Universidad de California en 1928 y dos años después se convirtió en profesor titular, convirtiéndose en el profesor más joven de la universidad. Robert Gordon Sproul, quien se convirtió en presidente de la universidad el día después de que Lawrence se convirtiera en profesor, era miembro del Bohemian Club y patrocinó la membresía de Lawrence en 1932. A través de este club, Lawrence conoció a William Henry Crocker, Edwin Pauley y John Francis Neylan. Eran hombres influyentes que lo ayudaron a obtener dinero para sus investigaciones energéticas de partículas nucleares. Había grandes esperanzas de usos médicos derivados del desarrollo de la física de partículas, y esto llevó a gran parte del financiamiento inicial que Lawrence logró obtener.
Mientras estaba en Yale, Lawrence conoció a Mary Kimberly Molly Blumer, la mayor de cuatro hijas de George Blumer, decano de la Facultad de Medicina de Yale. Se conocieron por primera vez en 1926 y se comprometieron en 1931, y se casaron el 14 de mayo de 1932, en Trinity Church on the Green en New Haven, Connecticut. Tuvieron seis hijos: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara y Susan. Lawrence nombró a su hijo Robert en honor al físico teórico Robert Oppenheimer, su amigo más cercano en Berkeley. En 1941, la hermana de Molly, Elsie, se casó con Edwin McMillan, quien ganó el Premio Nobel de Química en 1951.
El desarrollo del ciclotrón
Invención
El invento que llevó a Lawrence a la fama internacional comenzó como un bosquejo en un trozo de servilleta de papel. Mientras estaba sentado en la biblioteca una noche en 1929, Lawrence ojeó un artículo de revista de Rolf Widerøe y quedó intrigado por uno de los diagramas. Este mostraba un dispositivo que producía partículas de alta energía por medio de una sucesión de pequeños "empujones". El dispositivo representado estaba dispuesto en línea recta usando electrodos progresivamente más largos. En ese momento, los físicos estaban comenzando a explorar el núcleo atómico. En 1919, el físico neozelandés Ernest Rutherford había disparado partículas alfa contra nitrógeno y logró sacar protones de algunos de los núcleos. Pero los núcleos tienen una carga positiva que repele otros núcleos cargados positivamente, y están unidos entre sí firmemente por una fuerza que los físicos apenas estaban comenzando a entender. Para romperlos, para desintegrarlos, se requeriría energías mucho más altas, del orden de millones de voltios.
Lawrence vio que tal acelerador de partículas pronto se volvería demasiado largo e incómodo para su laboratorio universitario. Al reflexionar sobre una forma de hacer el acelerador más compacto, Lawrence decidió colocar una cámara aceleradora circular entre los polos de un electroimán. El campo magnético mantendría los protones cargados en una trayectoria espiral mientras se aceleraban entre solo dos electrodos semicirculares conectados a un potencial alterno. Después de cien vueltas más o menos, los protones impactarían el blanco como un haz de partículas de alta energía. Lawrence le dijo emocionadamente a sus colegas que había descubierto un método para obtener partículas de muy alta energía sin el uso de voltaje alto alguno. Inicialmente trabajó con Niels Edlefsen. Su primer ciclotrón estaba hecho de latón, alambre y cera de lacre y medía solo cuatro pulgadas 10 cm de diámetro, podría literalmente sostenerse en una mano y probablemente costó $25 en total.
Lo que Lawrence necesitaba para desarrollar la idea era estudiantes de posgrado capaces de realizar el trabajo. Edlefsen se fue para ocupar un profesorado asociado en septiembre de 1930, y Lawrence lo reemplazó con David H. Sloan y M. Stanley Livingston, a quienes encargó trabajar en el desarrollo del acelerador de Widerøe y el ciclotrón de Edlefsen, respectivamente. Ambos tenían su propio apoyo financiero. Ambos diseños resultaron prácticos, y para mayo de 1931, el acelerador lineal de Sloan pudo acelerar iones a 1 MeV. Livingston tuvo un mayor desafío técnico, pero cuando aplicó 1.800 V a su ciclotrón de 11 pulgadas el 2 de enero de 1931, obtuvo protones de 80.000 voltios de electrones girando. Una semana después, tenía 1,22 MeV con 3.000 V, más que suficiente para su tesis doctoral sobre su construcción.
Desarrollo
En lo que se convertiría en un patrón recurrente, tan pronto como había la primera señal de éxito, Lawrence comenzó a planificar una nueva máquina más grande. Lawrence y Livingston diseñaron un ciclotrón de 27 pulgadas 69 cm a principios de 1932. El imán para el ciclotrón de 11 pulgadas de $800 pesaba 2 toneladas, pero Lawrence encontró un imán enorme de 80 toneladas oxidándose en un depósito de chatarra en Palo Alto para el de 27 pulgadas que originalmente fue construido durante la Primera Guerra Mundial para alimentar un enlace de radio transatlántico. En el ciclotrón, tenía un poderoso instrumento científico, pero esto no se tradujo en descubrimiento científico. En abril de 1932, John Cockcroft y Ernest Walton en el Laboratorio Cavendish en Inglaterra anunciaron que habían bombardeado litio con protones y lograron transmutarlo en helio. La energía requerida resultó ser bastante baja, bien dentro de la capacidad del ciclotrón de 11 pulgadas. Al enterarse, Lawrence envió un telegrama a Berkeley y pidió que se verificaran los resultados de Cockcroft y Walton. El equipo tardó hasta septiembre en hacerlo, principalmente debido a la falta de aparatos de detección adecuados.
Aunque descubrimientos importantes continuaron eludiendo al Laboratorio de Radiación de Lawrence, principalmente debido a su enfoque en el desarrollo del ciclotrón en lugar de su uso científico, a través de sus máquinas progresivamente más grandes, Lawrence pudo proporcionar equipos cruciales necesarios para experimentos en física de altas energías. Alrededor de este dispositivo, construyó lo que se convirtió en el laboratorio más destacado del mundo para el nuevo campo de la investigación de física nuclear en los años 1930. Recibió una patente para el ciclotrón en 1934, que asignó a la Research Corporation, una fundación privada que financió gran parte del trabajo inicial de Lawrence.
En febrero de 1936, el presidente de la Universidad de Harvard, James B. Conant, hizo ofertas atractivas a Lawrence y Oppenheimer. El presidente de la Universidad de California, Robert Gordon Sproul, respondió mejorando las condiciones. El Laboratorio de Radiación se convirtió en un departamento oficial de la Universidad de California el 1 de julio de 1936, con Lawrence formalmente designado como su director, con un asistente director de tiempo completo, y la Universidad acordó poner $20.000 por año disponibles para sus actividades de investigación. Lawrence empleó un modelo comercial simple: "Dotó su laboratorio con estudiantes de posgrado y profesores jóvenes del departamento de física, con doctorados recién hechos dispuestos a trabajar por cualquier cosa, y con becarios e invitados ricos capaces de servir sin nada".
Recepción
Usando el nuevo ciclotrón de 27 pulgadas, el equipo de Berkeley descubrió que cada elemento que bombardeaban con deuterio recientemente descubierto emitía energía, y en el mismo rango. Por lo tanto, postularon la existencia de una partícula nueva y hasta entonces desconocida que era una posible fuente de energía ilimitada. William Laurence de The New York Times describió a Lawrence como "un nuevo hacedor de milagros de la ciencia". Por invitación de Cockcroft, Lawrence asistió a la Conferencia Solvay de 1933 en Bélgica. Esta era una reunión regular de los mejores físicos del mundo. Casi todos eran de Europa, pero ocasionalmente un destacado científico estadounidense como Robert A. Millikan o Arthur Compton sería invitado a asistir. Se le pidió a Lawrence que hiciera una presentación sobre el ciclotrón. Las afirmaciones de Lawrence sobre energía ilimitada recibieron una recepción muy diferente en Solvay. Se encontró con un escepticismo devastador del Laboratorio Cavendish de James Chadwick, el físico que había descubierto el neutrón en 1932, por lo que fue galardonado con el Premio Nobel en 1935. En un acento británico que sonaba condescendiente para los oídos estadounidenses, Chadwick sugirió que lo que el equipo de Lawrence observaba era contaminación de su aparato.
Cuando regresó a Berkeley, Lawrence movilizó a su equipo para repasar cuidadosamente los resultados y reunir suficiente evidencia para convencer a Chadwick. Mientras tanto, en el laboratorio Cavendish, Rutherford y Mark Oliphant descubrieron que el deuterio se fusiona para formar helio-3, que causa el efecto que los ciclotronistas habían observado. No solo Chadwick tenía razón en que habían estado observando contaminación, sino que también habían pasado por alto otro descubrimiento importante, el de la fusión nuclear. La respuesta de Lawrence fue continuar con la creación de ciclotrones aún más grandes. El 27-
