Нобелови лауреати – 1939 година

Ърнест Орландо Лорънс (Ernest Orlando Lawrence)

8 август 1901 г. – 27 август 1958 г.

Нобелова награда за физика, 1939 г.

(За изобретяването и създаването на циклотрона, за постигнатите с неговата помощ резултати и особено за получаването на изкуствени радиоактивни елементи.)

Американският физик Ърнест Орландо Лорънс е роден в Кантон, щат Южна Дакота. Той е най-големият син на Карл Густавус и Гунда (Якобсон) Лорънс. Родителите на Лорънс са емигранти в Съединените щати от Норвегия. Баща му е суперинтендант (управител) на местните училища, а след това на образованието в щата и президент на няколко учителски колежа, а майка му също работи в системата на образованието. Лорънс учи първоначално в Кантон и Пиър. В свободното време той и неговия приятел и съсед Мерл Тюв, който също става известен физик, мечтаят да създадат своя собствена система за безжична телеграфия.

Когато един от братовчедите му умира от левкемия, Лорънс решава да стане лекар. Като получава стипендия, той постъпва през 1918 г. в колежа "Св. Олаф" в Нортфилд, щата Минесота, но след една година се премества в университета на Южна Дакота. Там професорът по електротехника Луис Е. Ейкели го привлича към задълбочени занимания по физика. Когато получава през 1922 г. отлична диплома на бакалавър, Лорънс започва да следва аспирантура в университета на щата Минесота при У. Суан. По време на аспирантурата той се занимава с експериментално изследване на електрическата индукция и през 1923 г. получава научна магистърска степен.

След една година Лорънс заедно с учителя си Суан се премества в Чикагския университет. Там интересът му към физиката нараства още повече, след като се среща с Нилс Бор, Артър Комптън, Албърт Майкелсън, Х. А. Уилсън и други известни физици. Една година след преместването, през 1924 г., Лорънс получава в Йейлския университет докторска степен. Неговата дисертация за фотографския ефект в парите на калия е първата от знаменитите му разработки в тази област на физиката. През следващите две години той работи в Йейл като стипендиант на Националния съвет за научни изследвания и през 1927 г. е назначен за асистент професор по физика. Но през 1938 г. Лорънс напуска Йейлския университет и става адюнкт професор в Калифорнийския университет в Бъркли.

В Калифорния Лорънс отначало продължава започнатите изследвания в области като фотоелектричеството и измерването на много кратки промеждутъци от време. Към другите му достижения по това време се отнася и експерименталната демонстрация на принципа за неопределеността на Вернер Хайзенберг. Този принцип предсказва, че измерването на енергията, например на фотон светлина (фотонът е порция, или частица, електромагнитна енергия), става толкова по-неопределено, колкото е по-малко времето за измерване. Понеже енергията на фотона е пропорционална на честотата на светлината, неопределеността на енергията се свежда до неопределеност на честотата. Линията в оптичния спектър е в действителност тясна (което ще рече - ясна, добре определена) ивица светлинна честота. Като включват и много бързо изключват светлината по време на измерването на спектралните линии, Лорънс и неговият колега показват, че линията се разширява. Светлинният източник не се променя изобщо, макар че честотата му става по-малко определена, което следва от принципа за неопределеността на Хайзенберг.

След това Лорънс се обръща към ядрената физика, която по това време се развива много бързо. През 1919 г. Ърнест Ръдърфорд разцепва атомното ядро, като го бомбардира с алфа-частици, изпускани от радия. Ръдърфорд открива, че сред частиците, появили се след сблъсъка, се срещат атоми с по-малко атомно тегло от изходното. Някои от тези частици са изотопи на известни елементи, иначе казано - имат същите химически свойства, същия ядрен заряд, но са с друго тегло.

Методите на Ръдърфорд имат сериозни недостатъци: радият е рядък елемент, алфа-частиците излитат от източника във всички посоки, броят на наблюдаваните сблъсъци е извънредно малък, а цялата процедура на наблюденията е много трудна. Ядрената физика изпитва остра нужда от обилен източник на контролирани частици с висока енергия. Както бомбардиращите частици, така и ядрата мишени са положително заредени (електроните играят доста незначителна роля при сблъсъците), а бомбардиращите частици трябва да притежават достатъчно голяма енергия, за да преодолеят не само електрическото отблъскване, но и енергията на връзката, която осигурява целостта на ядрото. Джон Кокрофт и Ърнест Уолтън построяват линейни ускорители на частици, работещи при много високи напрежения. В тези устройства положително заредените частици се ускоряват по права линия по посока на привличащ ги отрицателен електрод и придобиват енергия, пропорционална на приложеното напрежение.

Линейните ускорители не се харесват на Лорънс, защото от време на време изолацията им се пробива и следва високоволтов разряд, наподобяващ мълния.През 1929 г. той вижда статия на немски език от инженера с норвежки произход Ролф Видерее, в която се разглежда схемата на ускорителя на частици, предложена преди това от шведския физик Густав А. Изинг. Макар че Лорънс не владее добре немски език, за да разбере детайлно нещата, основната идея му става ясна от илюстрациите към статията: частиците могат да се ускоряват, като се повишава енергията им постепенно. Лорънс разбира, че праволинейният път може да бъде извит в окръжност. Като прави необходимите изчисления, той с няколко сътрудници пристъпва към проектиране и построяване на първия циклотрон. Именно с неговото създаване се свързва обикновено името на Лорънс.

Основната идея на Лорънс се състои в това, че заредените частици се движат в еднородно магнитно поле по окръжност. Това става така, защото движещият заряд е електрически ток, който, както и токът в намотките на електромагнитите, създава магнитно поле. Подобно на два магнита, приближени плътно един до друг, частицата и външният магнит си въздействат с определена сила, но може да се движи само частицата (в случая с двата приближени магнита това съответства на положение, когато единият магнит е закрепен неподвижно, а другият може да се движи). Посоката на силите винаги образува прави ъгли с посоката на магнитното поле и посоката на движещите се частици. Тъй като посоката на движещите се частици се променя непрекъснато, частицата се движи по окръжност. Важна особеност на движението на частицата е това, че тя винаги описва пълна окръжност за едно и също време независимо от скоростта (кинетичната енергия) ѝ. Но диаметърът на окръжността е толкова по-голям, колкото е по-голяма скоростта на частицата. Именно тези особености на движението на частицата използва Лорънс при проектирането на своя циклотрон.

Сърцето на циклотрона е огромен кръгъл кух диск, разделен по диаметъра на две половини, наподобяващи по форма латинската буква D (тези половини се наричат дуанти). Дискът се намира между плоските полюси на голям магнит. Между дуантите е включен електрогенератор, който създава променливо напрежение в междинното им пространство. Когато заредената частица, например протон, попадне в това междинно пространство, тя се привлича от този дуант, който в момента има отрицателно напрежение, и набира скорост. Като попадне вътре в дуанта, частицата описва половин окръжност и излиза от него в точката, диаметрално противоположна на входа. Честотата на генератора е настроена така, че по това време знакът на напрежението се променя и протонът се устремява към другия дуант, който вече е станал отрицателен, привлича се от него и се ускорява от напрежението, приложено към междинното пространство. Във втория дуант протонът попада с по-голяма скорост и затова се движи в него по дъга на окръжност с по-голям радиус от преди.

Схемата на циклотрона, предложена от Ърнест Лорънс за получаване на патент.

Към момента на излизането на протона от дуанта напрежението отново сменя своя знак, протонът се ускорява отново и като влиза в първия дуант с по-голяма скорост, се движи вътре в него по дъга на окръжност с още по-голям радиус. Така той е "подтикван" всеки път, когато преминава през пространството между дуантите и се движи с все по-нарастваща скорост по дъга на окръжност с все по-голям радиус, докато достигне периметрите на диска. Тогава протонът излита от циклотрона и се насочва към избрана предварително мишена. Дисковете с голям диаметър позволяват да се ускоряват частици до голяма скорост, но са необходими по-големи и съответно по-скъпи магнити. Дуантите трябва да са направени от немагнитен материал, който не екранира магнитното поле, а за да не губят частиците енергията си при сблъскването с газови молекули, в камерата трябва да има абсолютен вакуум.

След първия, доста несъвършен циклотрон, построен през 1930 г., Лорънс и неговите колеги от Бъркли създават бързо един след друг все по-големи модели. Като използва 80-тонен магнит, предоставен му от Федералната телеграфна компания, Лорънс ускорява частици до рекордни енергии. Циклотроните се оказват идеални експериментални прибори. За разлика от частиците, излъчвани от ядрата при радиоактивно разпадане, лъчът частици, изведен от циклотрона, е с едно направление, енергията на частиците може да се регулира, а интензивността на потока е несравнимо по-голяма от тази на който и да е радиоактивен източник.

Високите енергии, постигнати от Лорънс и неговите сътрудници, откриват пред физиците обширно ново поле за изследвания. Бомбардировката на атомите на много елементи разцепва ядрата им на фрагменти, които се оказват изотопи, често радиоактивни. Понякога ускорените частици "прилепват" към ядрата, които служат за мишени, или предизвикват ядрени реакции, сред чиито продукти се срещат нови елементи, които не съществуват на Земята в естествени условия. Получените резултати показват, че ако частиците могат да се ускорят до достатъчно големи енергии, с помощта на циклотрона могат да се осъществи почти всяка ядрена реакция. Циклотронът се използва и за измерване на енергетичните връзки на много ядра и (чрез сравняване на различните маси до и след ядрените реакции) за проверка на съотношението на Алберт Айнщайн между маса и енергия.

Циклотронът се позволява и за създаването на радиоактивни изотопи за медицински цели. Над биомедицинското използване на ядрената физика Лорънс работи с по-малкия си брат Джон, който е лекар и директор на Биофизическата лаборатория в Бъркли. Джон Лорънс използва успешно изотопите за лечение на ракови заболявания, включително и на майка си. След лечението тя продължава да живее още двадесет години.

След 1940 г. Лорънс участва в създаването на радиационната лаборатория към Масачузетския технологичен институт. По негово настояване много от бившите му ученици стават негови сътрудници. Целта на лабораторията е да усъвършенства радарната техника, създадена за първи път в Англия по време на Втората световна война за електронно откриване на противниковите самолети. През 1941 г. Лорънс набира щат за лабораторията по подводна акустика в Сан Диего, която се занимава с разработка на системи за борба с немските подводници, причакващи конвоите с военни товари, изпращани от Съединените щати за Великобритания. След това, като запазва неформални връзки с лабораториите, той се заема в Бъркли с преобразуването на 37-дюймовия циклотрон в масспектрометър за разделяне на разцепения уран-235 и обикновения уран-238. В масспектрометъра, както и в циклотрона, се използва комбинация от електрическо и магнитно поле, но не за ускоряване на частици, а за пространственото им разпределение - насочването им по различни траектории в зависимост от масите и електрическите заряди. Тъй като масите на изотопите са различни, изотопите се движат по близки, макар и несъвпадащи траектории, поради което могат да бъдат разделени, макар че начинът на разделението им не е много ефективен.

Успехът, постигнат от Лорънс, се оказва достатъчно внушителен, за да може работата за разделяне на изотопите да бъде поръчана на неговата лаборатория. В Окридж, щата Тенеси, в рамките на Манхатънския проект (секретен план за създаване на американска атомна бомба) са построени стотици масспектрометри по образ и подобие на циклотрона в Бъркли със 184-дюймов магнит. Почти целият уран в бомбата, хвърлена над Хирошима през 1945 година, е получен от Лорънс и неговите сътрудници в Бъркли. По-късно окриджсикя завод за разделяне на изотопите с помощта на масспектрометри е закрит, защото газодифузионният метод се оказва по-ефективен.

В края на войната Лорънс и неговите сътрудници се връщат към фундаменталните си изследвания. Наистина, Лорънс продължава да участва в създаването на ядрено оръжие. Отделени са му фондове за построяване в Ливърмор (близо до Бъркли) на втора научно-изследователска лаборатория за нуждите на военната промишленост. Тя е независима от Лосаламоската лаборатория, създадена в рамките на Манхатънския проект. Получило по-нататък името Ливърморска лаборатория на Лорънс, това научно-изследователско учреждение става главен център, в който се работи за създаването на водородна бомба.

В Бъркли Лорънс ръководи строителството на ускорители, способни да ускоряват частиците да много високи енергии (няколко милиарда електронволта). В един от тези ускорители, наречени беватрони, Емилио Сегре и други изследователи на свойствата на мезоните (елементарни частици с маси, намиращи се между масите на електрона и протона) откриват антипротона (двойник на протона с отрицателен заряд).

Лорънс е поканен от президента Дуайт Д. Айзенхауер за консултант на правителството за проучване на възможностите да се определят нарушенията на съглашението за забрана на изпитанията на ядрено оръжие, което се разглежда на Женевската конференция през 1958 г. След връщането си у дома Лорънс е опериран заради активирала се язва и умира в болницата в Пало Алто, щат Калифорния.

През 1932 г. Лорънс се жени за Мери Кимбърли Блумър, дъщеря на декана на медицинското училище към Йейлския университет. Семейството има шест деца.

Покрай многобройните си занимания с ядрена физика Лорънс изобретява оригинална конструкция на телевизионна тръба - хроматрон на Лорънс, който се произвежда в промишлени мащаби в Япония и Съединените щати. Лорънс дълго се задържа на работа и в делнични, и в почивни дни. Освен това обича да се занимава с гребане, да играе тенис, да кара кънки и да слуша музика. "Важни съставни елементи на неговия успех - смята Луис У. Алварес - бяха природната му съобразителност и непоклатимостта на научните му съждения, огромния запас от жизнени сили, преизпълнената с ентусиазъм нестандартна личност и доминиращото над всичко усещане за пълнота".

Сред многобройните награди и почести, с които е удостоен Лорънс, е медалът Елиът Кресон на Франклиновия институт (1937 г.), медалът Хюз на Лондонското кралско дружество (1940 г.) и медалът Холи на Американското дружество на инженерите механици (1942 г.). Той е почетен доктор на университетите в Южна Дакота, Пенсилвания, Британска Колумбия, Южна Калифорния и Глазгоу, а също така на университетите Йейл, Харвард, Рутгерс и Макгил. Лорънс е избран за член на Националната академия на науките на САЩ, на Американското философско дружество и на Японското физическо дружество, а също така е почетен член на много други чуждестранни научни дружества.

Превод от руски: Павел Б. Николов