دعونا نغذي الأمل بأن اليوم الذي لن يكون بعيداً عندما نكون في خضم هذه المغامرة التالية.
Ernest Orlando Lawrence كان عالماً نووياً أمريكياً رائداً وفائزاً بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1939 لاختراعه السيكلوترون. اشتهر بعمله على فصل نظائر اليورانيوم لمشروع مانهاتن، وكذلك بتأسيسه لمختبر Lawrence Berkeley الوطني ومختبر Lawrence Livermore الوطني.
تخرج Ernest Lawrence من جامعة South Dakota وجامعة Minnesota، وحصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة Yale عام 1925. في عام 1928، تم تعيينه أستاذاً مساعداً للفيزياء في جامعة California، Berkeley، وأصبح أصغر أستاذ كامل هناك بعد سنتين. في مكتبتها في أحد المساءات، انجذب Lawrence إلى رسم تخطيطي لمعجل ينتج جزيئات عالية الطاقة. تأمل في كيفية جعله أكثر إحكاماً، وتوصل إلى فكرة غرفة تسريع دائرية بين قطبي مغناطيس كهربائي. كانت النتيجة أول سيكلوترون.
انتقل Lawrence إلى بناء سلسلة من السيكلوترونات الأكبر والأكثر تكلفة. أصبح Radiation Laboratory الخاص به قسماً رسمياً من جامعة California عام 1936، مع Lawrence كمديره. بالإضافة إلى استخدام السيكلوترون للفيزياء، دعم Lawrence أيضاً استخدامه في البحث عن الاستخدامات الطبية للنظائر المشعة. خلال الحرب العالمية الثانية، طور Lawrence فصل نظائر كهرومغناطيسي في Radiation Laboratory. استخدم أجهزة تُعرف باسم calutrons، وهي هجين بين مطياف الكتلة القياسي للمختبر والسيكلوترون. تم بناء محطة فصل كهرومغناطيسي ضخمة في Oak Ridge، Tennessee، والتي أطلق عليها اسم Y-12. كانت العملية غير فعالة، لكنها نجحت.
بعد الحرب، شن Lawrence حملة واسعة لرعاية الحكومة للبرامج العلمية الكبرى، وكان مناصراً قوياً لـ "Big Science"، مع متطلباتها للآلات الكبيرة والأموال الكبيرة. دعم Lawrence بقوة حملة Edward Teller لمختبر أسلحة نووية ثانٍ، والذي وضعه Lawrence في Livermore، California. بعد وفاته، أعاد قادة جامعة California تسمية Lawrence Livermore National Laboratory و Lawrence Berkeley National Laboratory باسمه. تمت تسمية العنصر الكيميائي رقم 103 باسم lawrencium تكريماً له بعد اكتشافه في Berkeley عام 1961.
الحياة المبكرة
وُلد Ernest Orlando Lawrence في Canton، South Dakota في 8 أغسطس 1901. كان والداه، Carl Gustavus و Gunda née Jacobson Lawrence، كلاهما من أبناء المهاجرين النرويجيين الذين التقيا أثناء التدريس في المدرسة الثانوية في Canton، حيث كان والده أيضاً مديراً للمدارس. كان لديه أخ أصغر، John H. Lawrence، الذي أصبح طبيباً، وكان رائداً في مجال الطب النووي. في سنوات نشأته، كان أفضل صديق له هو Merle Tuve، الذي أصبح أيضاً فيزيائياً محترماً للغاية.
التحق Lawrence بالمدارس العامة في Canton و Pierre، ثم التحق بـ St. Olaf College في Northfield، Minnesota، لكنه انتقل بعد سنة واحدة إلى جامعة South Dakota في Vermillion. أكمل درجة البكالوريوس في الكيمياء عام 1922، وشهادة الماجستير M.A. في الفيزياء من جامعة Minnesota عام 1923 تحت إشراف William Francis Gray Swann. لرسالة الماجستير الخاصة به، بنى Lawrence جهازاً تجريبياً يدور بيضاوياً عبر مجال مغناطيسي.
تابع Lawrence Swann إلى جامعة Chicago، ثم إلى جامعة Yale في New Haven، Connecticut، حيث أكمل Lawrence درجة Doctor of Philosophy Ph.D. في الفيزياء عام 1925 كزميل Sloane، حيث كتب أطروحته الدكتوراه عن التأثير الكهروضوئي في بخار البوتاسيوم. تم انتخابه عضواً في Sigma Xi، وبناءً على توصية Swann، تلقى زمالة مجلس البحوث الوطني. بدلاً من استخدامها للسفر إلى أوروبا، كما كان معتاداً في ذلك الوقت، بقي في جامعة Yale مع Swann كباحث.
مع Jesse Beams من جامعة Virginia، واصل Lawrence البحث عن التأثير الكهروضوئي. أظهروا أن الإلكترونات الضوئية ظهرت في غضون 2 x 10−9 ثانية من اصطدام الفوتونات بسطح التأثير الكهروضوئي، وهو قريب من حد القياس في ذلك الوقت. تقليل وقت الانبعاث عن طريق تشغيل ضوء المصدر إيقافه بسرعة جعل طيف الطاقة المنبعثة أوسع، وفقاً لمبدأ عدم اليقين لـ Werner Heisenberg.
المسيرة المبكرة
في عامي 1926 و 1927، تلقى Lawrence عروضاً لمناصب أساتذة مساعدين من جامعة Washington في Seattle وجامعة California برواتب سنوية قدرها 3,500 دولار. سارعت Yale إلى مطابقة عرض أستاذ مساعد، لكن برواتب 3,000 دولار. اختار Lawrence البقاء في جامعة Yale الأكثر شهرة، لكن لأنه لم يكن أستاذاً محاضراً من قبل، فقد استاء منه بعض زملائه في الهيئة التدريسية، وفي نظر الكثيرين كان لا يزال لا يعوض عن خلفيته المهاجرة من South Dakota.
تم تعيين Lawrence كأستاذ مساعد للفيزياء في جامعة California عام 1928، وأصبح أستاذاً كاملاً بعد سنتين، مما جعله أصغر أستاذ في الجامعة. كان Robert Gordon Sproul، الذي أصبح رئيساً للجامعة في اليوم الذي أصبح فيه Lawrence أستاذاً، عضواً في نادي Bohemian Club، وقام برعاية عضويته في عام 1932. من خلال هذا النادي، التقى Lawrence بـ William Henry Crocker و Edwin Pauley و John Francis Neylan. كانوا رجالاً مؤثرين ساعدوه في الحصول على أموال لأبحاثه النووية النشطة. كان هناك أمل كبير للاستخدامات الطبية القادمة من تطوير فيزياء الجزيئات، وهذا أدى إلى الكثير من التمويل المبكر الذي تمكن Lawrence من الحصول عليه.
بينما كان في Yale، التقى Lawrence بـ Mary Kimberly Molly Blumer، الكبرى من بين أربع بنات لـ George Blumer، عميد كلية Yale للطب. التقيا أولاً في عام 1926 وخطبا في عام 1931، وتزوجا في 14 مايو 1932، في Trinity Church on the Green في New Haven، Connecticut. كان لديهما ستة أطفال: Eric و Margaret و Mary و Robert و Barbara و Susan. سمى Lawrence ابنه Robert على اسم الفيزيائي النظري Robert Oppenheimer، صديقه الأقرب في Berkeley. في عام 1941، تزوجت شقيقة Molly Elsie من Edwin McMillan، الذي فاز لاحقاً بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1951.
تطوير السيكلوترون
الاختراع
بدأ الاختراع الذي جلب Lawrence إلى الشهرة الدولية برسم على قطعة من منديل ورقي. بينما كان جالساً في المكتبة في مساء عام 1929، نظر Lawrence إلى مقالة في مجلة علمية بقلم Rolf Widerøe، واهتم برسم تخطيطي واحد. صور هذا جهازاً ينتج جزيئات عالية الطاقة من خلال سلسلة من "الدفعات" الصغيرة. كان الجهاز المصور موضوعاً في خط مستقيم باستخدام أقطاب كهربائية أطول بشكل متزايد. في ذلك الوقت، بدأ الفيزيائيون في استكشاف نواة الذرة. في عام 1919، أطلق الفيزيائي النيوزيلندي Ernest Rutherford جزيئات ألفا على النيتروجين ونجح في إخراج البروتونات من بعض النوى. لكن النوى لها شحنة موجبة تصد النوى الموجبة الأخرى، وترتبط معاً بقوة لا يفهمها الفيزيائيون إلا للتو. لتفكيكها، لتفكيكها، ستتطلب طاقات أعلى بكثير، بترتيب ملايين الفولتات.
رأى Lawrence أن مثل هذا المعجل للجزيئات سيصبح قريباً طويلاً وغير عملي لمختبر الجامعة الخاص به. في التأمل في طريقة لجعل المعجل أكثر إحكاماً، قرر Lawrence وضع غرفة تسريع دائرية بين قطبي مغناطيس كهربائي. سيحمل المجال المغناطيسي البروتونات المشحونة في مسار حلزوني بينما يتم تسريعها بين اثنين فقط من الأقطاب الكهربائية نصف الدائرية المتصلة بجهد متناوب. بعد حوالي مائة دورة، ستؤثر البروتونات على الهدف كحزمة من الجزيئات عالية الطاقة. أخبر Lawrence زملاءه بحماس أنه اكتشف طريقة للحصول على جزيئات بطاقة عالية جداً دون استخدام أي جهد كهربائي عالي. عمل في البداية مع Niels Edlefsen. كان السيكلوترون الأول مصنوعاً من النحاس والأسلاك والشمع المختوم وكان قطره أربع بوصات فقط 10 سم - يمكن حرفياً أن يُمسك بيد واحدة، وربما كلف حوالي 25 دولاراً في المجموع.
ما احتاجه Lawrence لتطوير الفكرة كان طلاب دراسات عليا قادرين على القيام بالعمل. غادر Edlefsen ليتولى منصب أستاذ مساعد في سبتمبر 1930، واستبدله Lawrence بـ David H. Sloan و M. Stanley Livingston، الذين كلفهم بتطوير معجل Widerøe و السيكلوترون الخاص بـ Edlefsen على التوالي. كان لكليهما دعمهما المالي الخاص. أثبت كلا التصميمين عملياً، وبحلول مايو 1931، كان المعجل الخطي الخاص بـ Sloan قادراً على تسريع الأيونات إلى 1 MeV. كان لدى Livingston تحدٍ تقني أكبر، لكن عندما طبق 1,800 V على سيكلوترونه بقطر 11 بوصة في 2 يناير 1931، حصل على بروتونات بـ 80,000 إلكترون فولت تدور حوله. بعد أسبوع، كان لديه 1.22 MeV مع 3,000 V، أكثر من كافٍ لأطروحة الدكتوراه الخاصة به عن بنائه.
التطوير
في ما سيصبح نمطاً متكررة، بمجرد أن تكون هناك أول علامة على النجاح، بدأ Lawrence في تخطيط آلة جديدة وأكبر. رسم Lawrence و Livingston تصميماً لسيكلوترون بقطر 27 بوصة 69 سم في أوائل عام 1932. كان المغناطيس الخاص بـ السيكلوترون بقطر 11 بوصة البالغ تكلفته 800 دولار يزن 2 طن، لكن Lawrence وجد مغناطيساً ضخماً يزن 80 طناً يصدأ في ساحة خردة في Palo Alto لـ 27 بوصة والذي تم بناؤه في الأصل خلال الحرب العالمية الأولى لتشغيل رابط راديو عبر المحيط الأطلسي. في السيكلوترون، كان لديه أداة علمية قوية، لكن هذا لم يترجم إلى اكتشاف علمي. في أبريل 1932، أعلن John Cockcroft و Ernest Walton في مختبر Cavendish في إنجلترا أنهما قصفا الليثيوم بالبروتونات ونجحا في تحويله إلى هيليوم. تبين أن الطاقة المطلوبة منخفضة جداً - وأقل بكثير من قدرة السيكلوترون بقطر 11 بوصة. عند معرفته بذلك، أرسل Lawrence برقية إلى Berkeley وطلب التحقق من نتائج Cockcroft و Walton. استغرق الأمر الفريق حتى سبتمبر للقيام بذلك، وذلك أساساً بسبب الافتقار إلى جهاز كشف كافٍ.
على الرغم من أن الاكتشافات المهمة استمرت في الإفلات من Radiation Laboratory الخاص بـ Lawrence، أساساً بسبب تركيزه على تطوير السيكلوترون بدلاً من استخدامه العلمي، من خلال آلاته الأكبر بشكل متزايد، تمكن Lawrence من توفير معدات حاسمة مطلوبة للتجارب في فيزياء الطاقة العالية. حول هذا الجهاز، بنى ما أصبح المختبر الأفضل في العالم للمجال الجديد من أبحاث الفيزياء النووية في الثلاثينيات. تلقى براءة اختراع للسيكلوترون في عام 1934، والتي أسندها إلى Research Corporation، وهي مؤسسة خاصة مولت الكثير من أعمال Lawrence المبكرة.
في فبراير 1936، قدم رئيس جامعة Harvard، James B. Conant، عروضاً جذابة لـ Lawrence و Oppenheimer. ردت رئيسة جامعة California، Robert Gordon Sproul، بتحسين الظروف. أصبح Radiation Laboratory قسماً رسمياً من جامعة California في 1 يوليو 1936، مع تعيين Lawrence رسمياً كمديره، مع مساعد مدير بدوام كامل، وقبلت الجامعة توفير 20,000 دولار سنوياً لأنشطة البحث الخاصة به. استخدم Lawrence نموذج أعمال بسيط: "قام بتوظيف مختبره بطلاب دراسات عليا وأعضاء هيئة تدريس صغار من قسم الفيزياء، مع حملة دكتوراه طازجة على استعداد للعمل مقابل أي شيء، وحاملي الزمالات والضيوف الأثرياء القادرين على الخدمة مقابل لا شيء."
الاستقبال
باستخدام السيكلوترون الجديد بقطر 27 بوصة، اكتشف الفريق في Berkeley أن كل عنصر قصفوه بـ الديوتيريوم المكتشف حديثاً أطلق طاقة، وفي نفس النطاق. لذلك، افترضوا وجود جزيء جديد ولم يكن معروفاً من قبل كان مصدراً محتملاً للطاقة غير المحدودة. وصف William Laurence من The New York Times Lawrence بأنه "عامل معجزة جديد للعلم". بدعوة من Cockcroft، حضر Lawrence مؤتمر Solvay لعام 1933 في بلجيكا. كان هذا تجمعاً منتظماً لأفضل الفيزيائيين في العالم. كان تقريباً جميعهم من أوروبا، لكن أحياناً يُدعى عالم أمريكي متميز مثل Robert A. Millikan أو Arthur Compton للحضور. طُلب من Lawrence تقديم عرض تقديمي عن السيكلوترون. التقت ادعاءات Lawrence حول الطاقة غير المحدودة برد
