Нобелевские лауреаты: Эрнест Лоуренс - человек, который разогнал частицы

Американский физик Эрнест Орландо Лоуренс

за контрольной панелью первого циклотрона (справа)

Energy.gov/Wikimedia Commons,

New York Times Co./Getty Images

Если человеку приходится делать позитронно-эмиссионную томографию, то чаще всего он не задумывается, что перед исследованием и во время него происходит несколько физических чудес. Во-первых, в момент исследования в теле человека происходит самая настоящая аннигиляция позитронов, открытых нобелевским лауреатом Карлом Андерсоном, а во-вторых, специально для этого человека на мини-ускорителе, циклотроне, были созданы не существующие в природе атомы — короткоживущие изотопы. Это, как и вся ускорительная эра в современной физике, как и создание новых искусственных элементов, стало возможным благодаря нашему сегодняшнему герою — Эрнесту Орландо Лоуренсу. Кстати, один из этих новых элементов в итоге получил его имя. Но обо всем по порядку.

                     

Эрнест Орландо Лоуренс

Родился 8 августа 1901 года, Кантон, штат Южная Дакота, США
Умер 27 августа 1958 года, Пало-Альто, штат Калифорния, США
Нобелевская премия по физике 1939 года. 
Формулировка Нобелевского комитета: «За изобретение и усовершенствование циклотрона и за полученные с его помощью результаты, особенно в отношении искусственных радиоактивных элементов» (for the invention and development of the cyclotron and for results obtained with it, especially with regard to artificial radioactive elements).

Лоуренс родился в семье выходцев из Норвегии, оттуда в США переехали и отец, Карл Густав Лоуренс, и мать — Гунда Джекобсон. Семья была учительской, но не самой простой: отец начинал с директора школы и дошел до руководителя образования всей Южной Дакоты. Так что Лоуренсы не бедствовали.

Интерес к науке у будущего нобелиата возник с юности: уже подростком он ставил бесконечные опыты со своим лучшим другом и соседом и даже создал свой беспроволочный телеграф. Пройдут годы, и Лоуренс, и его сосед станут выдающимися физиками-ядерщиками, уже в тридцатилетнем возрасте совершавшими прорывы в своей области. Так, именно Мэрл Энтони Тьюв в 1932 году подтвердил существование нейтрона, а позже сумел измерить силы, удерживающие субатомные частицы в ядре.

Наш же герой свою научную карьеру начал с пяти университетов: получил образование в Университете Южной Дакоты и Миннесоты, поработал в аспирантуре в Чикаго (где он мог встречаться с Бором, Майкельсоном, Вильсоном и Комптоном) получил степень PhD в Йеле (1925), а в 1928 году получил ставку доцента (associate professor) в Университете Калифорнии.

Рабочий стол Эрнеста Лоуренса,

выставленный в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Калифорния, США)

Wkimedia Commons

Здесь он сначала сумел экспериментально продемонстрировать принцип неопределенности Гейзенберга на примере фотона: показал неопределенность измерения частоты спектральной линии. Спектральная линия в действительности представляет собой узкую, то есть четкую, или хорошо определенную, полосу световых частот. Включая и очень быстро выключая свет во время измерения спектральной линии, Лоуренс и его коллега показали, что линия расширяется. Источник света не претерпевал никаких изменений, хотя его частота становилась менее определенной, как и следовало из принципа неопределенности Гейзенберга.

Затем Лоуренса затянула ядерная физика. Это неудивительно: весь мир изучал атомное ядро, синтез новых элементов… Наш герой решил заняться ускорителями. Он, конечно, не был первым человеком в мире, построившим ускорители атомных и субатомных частиц. В 1928 году сотрудничавший в Кембридже с Петром Капицей Джон Кокрофт совместно с Эрнестом Уолтоном начал работать над ускорением протонов на линейном ускорителе. Кокрофт с Уолтоном тоже получат свою «Нобелевку» (как и Капица), но о них мы поговорим позже.

Джон Кокрофт, 1961 год

Wikimedia Commons

У линейных ускорителей было много недостатков. По крайней мере, у линейных ускорителей конца 1920-х годов. Дело в том, что там время от времени возникал пробой — «молния». Однажды Лоуренс наткнулся на написанную на немецком статью норвежца Рольфа Видероэ (Rolf Wideröe) — еще одного пионера ускорителей. Немецкий Лоуренс понимал плохо, но зато в статье были красивые картинки, из которых была понятна суть: частицы можно ускорять постепенно, повышая напряжение. Так возникла идея «загнуть» прямой путь в кольцо. Уже через год в Калифорнийском университете появился циклотрон.

Что такое циклотрон? В нем заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружностям. Циклотрон представляет собой огромный круглый полый диск, разделенный по диаметру на две половины (дуанты), напоминающие по форме латинскую букву D. Эти дуанты размещают между плоскими полюсами большого магнита.

Изображение циклотрона из патента Лоуренса

Wikimedia Commons

Между половинками подключается электрогенератор, создающий переменное напряжение в зазоре между ними. Итак, положительно заряженная (к примеру) частица попадает в зазор. Она притягивается к дуанту с отрицательной полярностью и ускоряется. Внутри частица описывает полуокружность и выходит из него в точке, диаметрально противоположной входу. Однако в этот момент генератор меняет полярности дуантов, и частица летит к другому дуанту, где снова ускоряется. Во втором дуанте скорость уже больше, поэтому частица движется по дуге окружности большего радиуса.

К моменту выхода протона из дуанта напряжение опять меняет знак, частица снова ускоряется и, входя в первый дуант с большей скоростью, движется внутри него по дуге окружности еще большего радиуса. Так частица вновь и вновь получает «пинок» каждый раз, когда он проходит зазор между дуантами, и ускоряется, ускоряется, ускоряется, при этом движется по дугам окружностей все большего радиуса до тех пор, пока не достигнет периметра диска. Тогда частица вылетает из циклотрона, и ее направляют на нужную мишень. Соответственно, чем больше диск, тем больше достижимая скорость, тем больше требуется магнит. И тем дороже прибор.

Диаметр диска первого работающего циклотрона составлял всего 69 сантиметров и разгонял протоны до 4,8 МэВ. Но на этом Лоуренс не остановился и к моменту получения Нобелевской премии в 1939 году достиг уже 152 сантиметров и энергии в 16 МэВ. Кстати, к 1939 году уже два года работал первый европейский циклотрон — в Радиевом институте в Ленинграде. Его создал Виталий Хлопин, выдающийся радиохимик.

Виталий Хлопин

Wikimedia Commons

После «Нобелевки» (которую он получал в Беркли в 1941 году, а лекцию читал вообще лишь в 1951-м) Лоуренсу оставалось меньше 20 лет жизни. Но и за это время он успел очень многое. Конечно же, он поработал на войну, превратив 37-дюймовый циклотрон в масс-спектрометр для разделения урана-238 и урана-235. Не уверен, что можно этим гордиться, но почти весь уран в бомбе, упавшей на Хиросиму, был собран Лоуренсом и его сотрудниками.

Увы, он прожил всего 57 лет, умерев в ходе операции по поводу обострения язвы, возвращаясь с конференции по запрещению испытаний ядерного оружия. А чуть позже он получил признание, которого удостаивается далеко не каждый великий ученый: в честь него назвали новый элемент, заполнивший 103-ю клетку в таблице Менделеева.

Алексей Паевский