Давайте лелеять надежду, что день, когда мы окажемся в центре этого следующего приключения, не за горами.
Ernest Orlando Lawrence был пионером американской ядерной науки и лауреатом Нобелевской премии по физике в 1939 году за изобретение циклотрона. Он известен своей работой по разделению изотопов урана для Манхэттенского проекта, а также за основание Lawrence Berkeley National Laboratory и Lawrence Livermore National Laboratory.
Выпускник Университета South Dakota и Университета Minnesota, Lawrence получил степень доктора философии по физике в Yale в 1925 году. В 1928 году он был нанят доцентом физики в Университет California, Berkeley, став самым молодым полным профессором там два года спустя. В библиотеке университета одним вечером Lawrence заинтересовался диаграммой ускорителя, производящего высокоэнергетические частицы. Он размышлял о том, как его можно было бы сделать компактным, и придумал идею круглой ускоряющей камеры между полюсами электромагнита. В результате был создан первый циклотрон.
Lawrence продолжил строить серию все более крупных и дорогостоящих циклотронов. Его Radiation Laboratory стала официальным отделением Университета California в 1936 году, с Lawrence в качестве её директора. Помимо использования циклотрона в физике, Lawrence также поддерживал его использование в исследовании медицинского применения радиоизотопов. Во время Второй мировой войны Lawrence разработал электромагнитное разделение изотопов в Radiation Laboratory. Он использовал устройства, известные как калютроны, гибрид стандартного лабораторного масс-спектрометра и циклотрона. Огромный электромагнитный завод разделения был построен в Oak Ridge, Tennessee, который получил название Y-12. Процесс был неэффективным, но он работал.
После войны Lawrence активно кампанировал за государственную поддержку крупных научных программ и был сторонником «Большой науки» с её требованиями больших машин и больших денег. Lawrence решительно поддержал кампанию Edward Teller за создание второй ядерной лаборатории, которую Lawrence расположил в Livermore, California. После его смерти Регенты Университета California переименовали Lawrence Livermore National Laboratory и Lawrence Berkeley National Laboratory в его честь. Химический элемент номер 103 был назван лоуренцием в его честь после его открытия в Berkeley в 1961 году.
Ранняя жизнь
Ernest Orlando Lawrence родился в Canton, South Dakota 8 августа 1901 года. Его родители, Carl Gustavus и Gunda née Jacobson Lawrence, оба были потомками норвежских иммигрантов, которые встретились, преподавая в средней школе в Canton, где его отец также был начальником школ. У него был младший брат, John H. Lawrence, который позже стал врачом и пионером в области ядерной медицины. В детстве его лучшим другом был Merle Tuve, который также стал выдающимся физиком.
Lawrence посещал государственные школы Canton и Pierre, затем поступил в St. Olaf College в Northfield, Minnesota, но через год перевелся в Университет South Dakota в Vermillion. Он получил степень бакалавра по химии в 1922 году и степень магистра М.А. по физике Университета Minnesota в 1923 году под руководством William Francis Gray Swann. Для своей магистерской диссертации Lawrence построил экспериментальное устройство, которое вращало эллипсоид в магнитном поле.
Lawrence последовал за Swann в Университет Chicago, а затем в Yale University в New Haven, Connecticut, где Lawrence получил степень доктора философии Ph.D. по физике в 1925 году в качестве Sloane Fellow, написав докторскую диссертацию о фотоэлектрическом эффекте в паре калия. Он был избран членом Sigma Xi и по рекомендации Swann получил стипендию National Research Council. Вместо того чтобы использовать её для путешествия в Европу, как было принято в то время, он остался в Yale University с Swann в качестве исследователя.
С Jesse Beams из Университета Virginia Lawrence продолжил исследовать фотоэлектрический эффект. Они показали, что фотоэлектроны появились в течение 2 x 10−9 секунд после попадания фотонов на фотоэлектрическую поверхность — близко к пределу измерения в то время. Сокращение времени эмиссии путем быстрого включения и выключения источника света привело к расширению спектра излучаемой энергии, в соответствии с принципом неопределенности Werner Heisenberg.
Ранняя карьера
В 1926 и 1927 годах Lawrence получил предложения должностей ассистента профессора от Университета Washington в Seattle и Университета California с зарплатой $3,500 в год. Yale незамедлительно подтвердил предложение должности ассистента профессора, но с зарплатой $3,000. Lawrence решил остаться в более престижном Yale, но поскольку он никогда не был преподавателем, назначение было встречено с неодобрением некоторыми его коллегами, и с точки зрения многих это всё ещё не компенсировало его иммигрантское происхождение из South Dakota.
Lawrence был нанят доцентом физики в Университет California в 1928 году, и два года спустя стал полным профессором, став самым молодым профессором университета. Robert Gordon Sproul, который стал президентом университета на день после того, как Lawrence стал профессором, был членом Bohemian Club, и он спонсировал членство Lawrence в 1932 году. Через этот клуб Lawrence встретил William Henry Crocker, Edwin Pauley и John Francis Neylan. Они были влиятельными людьми, которые помогли ему получить деньги для его энергичных исследований ядерных частиц. Были большие надежды на медицинское применение, вытекающие из развития физики частиц, и это привело к большей части раннего финансирования достижений, которые Lawrence смог получить.
Будучи в Yale, Lawrence встретил Mary Kimberly Molly Blumer, старшую из четырех дочерей George Blumer, декана Yale School of Medicine. Они впервые встретились в 1926 году, помолвились в 1931 году и поженились 14 мая 1932 года в Trinity Church on the Green в New Haven, Connecticut. У них было шесть детей: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara и Susan. Lawrence назвал своего сына Robert в честь теоретического физика Robert Oppenheimer, его ближайшего друга в Berkeley. В 1941 году сестра Molly Elsie вышла замуж за Edwin McMillan, который позже выиграл Нобелевскую премию по химии в 1951 году.
Разработка циклотрона
Изобретение
Изобретение, которое принесло Lawrence международную славу, началось как набросок на листке бумажной салфетки. Сидя в библиотеке одним вечером в 1929 году, Lawrence случайно прочитал статью журнала Rolf Widerøe и заинтересовался одной из диаграмм. На ней было изображено устройство, которое производило высокоэнергетические частицы посредством серии небольших «толчков». Показанное устройство было расположено по прямой линии с использованием все более длинных электродов. В то время физики начинали исследовать атомное ядро. В 1919 году физик из New Zealand Ernest Rutherford выпустил альфа-частицы в азот и успешно выбил протоны из некоторых ядер. Но ядра имеют положительный заряд, который отталкивает другие положительно заряженные ядра, и они скреплены вместе сильно силой, которую физики только начинали понимать. Чтобы разбить их, разрушить их, потребовалась бы гораздо более высокая энергия, порядка миллионов вольт.
Lawrence понял, что такой ускоритель частиц вскоре станет слишком длинным и громоздким для его университетской лаборатории. Размышляя над способом сделать ускоритель более компактным, Lawrence решил поместить круглую ускоряющую камеру между полюсами электромагнита. Магнитное поле будет удерживать заряженные протоны по спиральной траектории, когда они ускоряются между двумя полукруглыми электродами, подключенными к переменному потенциалу. После примерно сотни витков протоны попадали бы на мишень в виде пучка высокоэнергетических частиц. Lawrence с волнением сказал своим коллегам, что он обнаружил метод получения частиц очень высокой энергии без использования какого-либо высокого напряжения. Он первоначально работал с Niels Edlefsen. Их первый циклотрон был сделан из латуни, проволоки и сургуча и имел диаметр всего четыре дюйма 10 см — его можно было буквально держать в одной руке, и вероятно, стоил всего $25.
То, что нужно было Lawrence для развития идеи, — это способные аспиранты для выполнения работы. Edlefsen уехал, чтобы занять должность ассистента профессора в сентябре 1930 года, и Lawrence заменил его David H. Sloan и M. Stanley Livingston, которых он поручил работать над ускорителем Widerøe и циклотроном Edlefsen соответственно. Оба имели собственное финансирование. Оба проекта оказались практичными, и к май 1931 году линейный ускоритель Sloan мог ускорять ионы до 1 МэВ. У Livingston была более сложная техническая задача, но когда он применил 1,800 В к своему циклотрону диаметром 11 дюймов 2 января 1931 года, он получил протоны с энергией 80,000 электронвольт, вращающиеся по кругу. Неделей позже он получил 1.22 МэВ с 3,000 В, более чем достаточно для его докторской диссертации о его конструкции.
Развитие
В том, что стало повторяющимся паттерном, как только появились первые признаки успеха, Lawrence начал планировать новую, более крупную машину. Lawrence и Livingston разработали дизайн циклотрона диаметром 27 дюймов 69 см в начале 1932 года. Магнит для циклотрона диаметром 11 дюймов стоимостью $800 весил 2 тонны, но Lawrence нашел огромный магнит весом 80 тонн, ржавеющий на свалке в Palo Alto, для циклотрона диаметром 27 дюймов, который первоначально был построен во время Первой мировой войны для питания трансатлантической радиосвязи. В циклотроне он получил мощный научный инструмент, но это не привело к научным открытиям. В апреле 1932 года John Cockcroft и Ernest Walton в Cavendish Laboratory в England объявили, что они бомбардировали литий протонами и успешно трансмутировали его в гелий. Требуемая энергия оказалась довольно низкой — вполне в возможностях циклотрона диаметром 11 дюймов. Узнав об этом, Lawrence отправил телеграмму в Berkeley и попросил проверить результаты Cockcroft и Walton. Команде потребовалось до сентября для этого, главным образом из-за отсутствия надлежащего аппарата обнаружения.
Хотя важные открытия продолжали ускользать от Radiation Laboratory Lawrence, главным образом из-за её ориентации на развитие циклотрона, а не на его научное использование, через его все более крупные машины Lawrence смог предоставить критически важное оборудование, необходимое для экспериментов в физике высоких энергий. Вокруг этого устройства он построил то, что стало ведущей в мире лабораторией для нового направления исследований ядерной физики в 1930-х годах. Он получил патент на циклотрон в 1934 году, который он передал Research Corporation, частному фонду, который финансировал большую часть ранней работы Lawrence.
В феврале 1936 года президент Harvard University James B. Conant сделал привлекательные предложения Lawrence и Oppenheimer. Президент Университета California Robert Gordon Sproul ответил улучшением условий. Radiation Laboratory стала официальным отделением Университета California 1 июля 1936 года, с Lawrence, официально назначенным её директором, с помощником директора на полный рабочий день, и университет согласился выделять $20,000 в год на его научно-исследовательскую деятельность. Lawrence использовал простую бизнес-модель: «Он укомплектовал свою лабораторию аспирантами и младшими преподавателями кафедры физики, недавно защитившимися Ph.D. готовыми работать за что угодно, и со стипендиатами и богатыми гостями, которые могли служить за ничто».
Восприятие
Используя новый циклотрон диаметром 27 дюймов, команда в Berkeley обнаружила, что каждый элемент, который они бомбардировали недавно открытым дейтерием, испускал энергию, и в том же диапазоне. Поэтому они предположили существование новой и неизвестной ранее частицы, которая была возможным источником неограниченной энергии. William Laurence из The New York Times описал Lawrence как «новое чудо-работника науки». По приглашению Cockcroft, Lawrence посетил Solvay Conference в 1933 году в Belgium. Это было обычным собранием лучших физиков мира. Почти все были из Europe, но иногда выдающихся американских ученых, таких как Robert A. Millikan или Arthur Compton, приглашали присутствовать. Lawrence попросили дать презентацию о циклотроне. Утверждения Lawrence о неограниченной энергии встретили совсем другой прием на Solvay. Он столкнулся с сокрушительным скептицизмом James Chadwick из Cavendish Laboratory, физика, который открыл нейтрон в 1932 году, за что ему была присуждена Нобелевская премия в 1935 году. Британским акцентом, который звучал покровительственно для американских ушей, Chadwick предположил, что то, что наблюдала команда Lawrence, было загрязнением их аппарата.
Когда он вернулся в Berkeley, Lawrence мобилизовал свою команду, чтобы тщательно пересмотреть результаты, чтобы собрать достаточно доказательств, чтобы убедить Chadwick. Тем временем, в лаборатории Cavendish, Rutherford и Mark Oliphant обнаружили, что дейтерий сливается с образованием гелия-3, что вызывает эффект, который наблюдали циклотронисты. Chadwick не только был прав в том, что они наблюдали загрязнение, но они также упустили ещё одно важное открытие — открытие ядерного синтеза. Ответ Lawrence было продолжить создание ещё больших циклотронов. 27-
