Эрнест Лоуренс

Эрнест Лоуренс (англ. Ernest Orlando Lawrence; 8 августа 1901, Кантон, Южная Дакота — 27 августа 1958, Пало-Альто, Калифорния) — американский физик-ядерщик, изобретатель циклотрона, лауреат Нобелевской премии по физике (1939). Создатель и первый директор Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Внёс фундаментальный вклад в развитие ускорительной техники, ядерной физики, радиобиологии и медицины. В его честь назван химический элемент лоуренсий (Lr, № 103) и единица измерения интенсивности рентгеновского излучения (рентген-эквивалент человека, РЭМ).

Биография

Ранние годы и образование

Эрнест Орландо Лоуренс родился 8 августа 1901 года в городе Кантон (штат Южная Дакота) в семье норвежского происхождения. Его отец, Карл Густав Лоуренс, был школьным учителем и суперинтендантом школ, мать, Гунда Якобсон, — домохозяйкой. В детстве Эрнест увлекался радиотехникой и естественными науками, самостоятельно собирал радиоприёмники и проводил химические опыты.

В 1919 году поступил в колледж Святого Олафа в Нортфилде (Миннесота), но через год перевёлся в Университет Южной Дакоты, где получил степень бакалавра по химии (1922). Затем продолжил обучение в Университете Миннесоты, где в 1923 году получил степень магистра по физике. Докторскую диссертацию защитил в 1925 году в Йельском университете, работая под руководством профессора Сэмюэла К. Эллисона. Тема диссертации была связана с фотоэлектрическим эффектом в парах щелочных металлов.

Начало научной карьеры

После защиты диссертации Лоуренс остался в Йельском университете в качестве ассистента, а затем адъюнкт-профессора. В 1928 году он получил приглашение от Калифорнийского университета в Беркли и стал самым молодым профессором физики в истории университета (на тот момент ему было 27 лет). В Беркли Лоуренс начал исследования в области ядерной физики, которая тогда только зарождалась.

Создание циклотрона

В 1929 году, изучая работы норвежского физика Рольфа Видероэ, Лоуренс наткнулся на идею ускорения частиц с помощью последовательных электрических импульсов, подаваемых на электроды в магнитном поле. Он осознал, что если поместить частицы в постоянное магнитное поле и прикладывать к ним переменное электрическое поле, синхронизированное с их движением, то можно многократно ускорять их, не требуя огромных напряжений. Эта идея легла в основу циклотрона.

В 1930 году Лоуренс вместе с аспирантом Н. Эдлефсеном построил первый прототип циклотрона диаметром около 10 см, который мог разгонять протоны до энергии 80 кэВ. Уже в 1931 году был создан более крупный циклотрон с диаметром полюсов магнита 27 см, способный разгонять частицы до 1 МэВ. В 1932 году Лоуренс продемонстрировал циклотрон, который давал пучок протонов с энергией 1,2 МэВ, что позволило впервые осуществить искусственные ядерные реакции на ускоренных частицах.

В 1939 году за изобретение и усовершенствование циклотрона Эрнест Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике. В своей нобелевской лекции он подчеркнул, что циклотрон открыл новые возможности для исследования атомного ядра и получения искусственных радиоактивных изотопов.

Радиационная лаборатория и Манхэттенский проект

В 1936 году Лоуренс основал Радиационную лабораторию при Калифорнийском университете в Беркли (ныне Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли). Лаборатория стала центром ядерных исследований в США. В ней были построены циклотроны всё больших размеров: 60-дюймовый (1939), 184-дюймовый (1942) и 88-дюймовый (1946).

С началом Второй мировой войны Лоуренс активно включился в Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы. Его лаборатория занималась разработкой методов электромагнитного разделения изотопов урана (калютрон) для получения урана-235. Лоуренс лично курировал строительство завода Y-12 в Ок-Ридже (Теннесси), где использовались его калютроны. В 1945 году он участвовал в испытаниях первого ядерного заряда «Тринити» и входил в состав комитета по выбору целей для атомных бомбардировок Японии.

Послевоенная деятельность

После войны Лоуренс продолжил работу в Радиационной лаборатории, занимаясь созданием всё более мощных ускорителей. В 1946 году он предложил концепцию синхротрона — ускорителя, в котором магнитное поле изменяется синхронно с ростом энергии частиц. В 1948 году под его руководством был построен протонный синхротрон «Беватрон», способный разгонять протоны до энергии 6,2 ГэВ.

Лоуренс также активно занимался медицинским применением циклотронов. В 1937 году он вместе с братом Джоном Лоуренсом (врачом-радиологом) начал использовать нейтронные пучки для лечения рака. В 1940-х годах они разработали методы радиоизотопной терапии, в частности, применение радиоактивного фосфора-32 для лечения лейкемии и радиоактивного йода-131 для лечения заболеваний щитовидной железы.

В 1954 году Лоуренс получил премию Энрико Ферми за вклад в ядерную физику и разработку ускорителей. В 1957 году он был награждён медалью Сильвануса Томпсона Американского рентгеновского общества.

Смерть

Эрнест Лоуренс скончался 27 августа 1958 года в Пало-Альто (Калифорния) от осложнений, вызванных хроническим язвенным колитом. Ему было 57 лет. Похоронен на кладбище Чапел-оф-те-Чаймс в Окленде.

Научные достижения

Изобретение циклотрона

Циклотрон, изобретённый Лоуренсом, стал первым циклическим ускорителем заряженных частиц. Принцип его работы основан на использовании постоянного магнитного поля для удержания частиц на круговой орбите и переменного электрического поля, которое ускоряет частицы каждый раз, когда они проходят через зазор между двумя электродами (дуантами). Частота электрического поля подбирается равной циклотронной частоте частиц, что обеспечивает синхронизацию ускорения.

Циклотрон позволил получать пучки протонов, дейтронов и альфа-частиц с энергиями, достаточными для проведения ядерных реакций. До его появления для ускорения частиц использовались линейные ускорители и генераторы Ван де Граафа, которые были ограничены по энергии из-за проблем с изоляцией высоких напряжений. Циклотрон обходил это ограничение, используя многократное ускорение.

Электромагнитное разделение изотопов

В рамках Манхэттенского проекта Лоуренс разработал калютрон (Calutron — от California University Cyclotron) — устройство для электромагнитного разделения изотопов урана. Принцип действия калютрона основан на отклонении ионов урана в магнитном поле: ионы разных масс движутся по разным траекториям и собираются в отдельных приёмниках. Завод Y-12 в Ок-Ридже, оснащённый калютронами, произвёл достаточное количество урана-235 для создания первой атомной бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму.

Медицинские применения

Лоуренс одним из первых осознал потенциал циклотронов для медицины. В 1937 году он вместе с братом начал использовать нейтронные пучки для лечения рака. В 1940-х годах они разработали методы радиоизотопной терапии, в частности, применение радиоактивного фосфора-32 для лечения лейкемии и радиоактивного йода-131 для лечения заболеваний щитовидной железы. Эти методы стали основой современной ядерной медицины.

Личная жизнь

В 1932 году Эрнест Лоуренс женился на Мэри Бламер, дочери профессора физики из Йеля. У них было шестеро детей: два сына и четыре дочери. Лоуренс был известен своей энергичностью, трудолюбием и умением привлекать талантливых учёных. Среди его учеников и сотрудников были такие выдающиеся физики, как Гленн Сиборг, Эдвин Макмиллан, Роберт Оппенгеймер, Луис Альварес.

Память

• В 1958 году, вскоре после смерти Лоуренса, Радиационная лаборатория в Беркли была переименована в Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory).
• В 1961 году химический элемент № 103, открытый в этой лаборатории, был назван лоуренсием (Lr).
• В 1968 году в его честь была названа единица измерения интенсивности рентгеновского излучения — рентген-эквивалент человека (РЭМ, англ. rem — roentgen equivalent man).
• В 1971 году в его честь была названа премия Эрнеста Лоуренса, присуждаемая Министерством энергетики США за выдающиеся достижения в области ядерной физики и энергетики.
• В 1990 году имя Лоуренса было включено в Зал славы изобретателей Национального музея изобретателей США.
• В его честь названы кратер на Луне и астероид (2975) Лоуренс.

Критика и противоречия

Участие Лоуренса в Манхэттенском проекте и его роль в создании атомной бомбы вызывали критику со стороны некоторых учёных и общественных деятелей, выступавших против ядерных вооружений. Сам Лоуренс, однако, считал, что создание ядерного оружия было необходимо для скорейшего завершения Второй мировой войны и предотвращения ещё больших жертв. В послевоенные годы он поддерживал развитие ядерной энергетики и выступал за контроль над ядерными вооружениями.

Источники

• Нобелевская лекция Эрнеста Лоуренса (1939)
• Биография Эрнеста Лоуренса на сайте Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли
• Энциклопедия «Британника», статья «Эрнест Лоуренс»
• «The Making of the Atomic Bomb» — Ричард Роудс (1986)
• «Lawrence and His Laboratory: A History of the Lawrence Berkeley Laboratory» — Дж. Л. Хейлброн, Роберт У. Сейдель (1989)