Lassen Sie uns die Hoffnung hegen, dass der Tag nicht mehr fern ist, an dem wir uns in diesem nächsten Abenteuer befinden werden.
Ernest Orlando Lawrence war ein bahnbrechender amerikanischer Kernphysiker und Gewinner des Nobelpreises für Physik 1939 für seine Erfindung des Zyklotrons. Er ist bekannt für seine Arbeit zur Urananreicherung für das Manhattan-Projekt sowie für die Gründung des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Lawrence Livermore National Laboratory.
Lawrence war ein Absolvent der University of South Dakota und der University of Minnesota und erwarb 1925 einen Ph.D. in Physik von der Yale University. 1928 wurde er als außerordentlicher Professor für Physik an der University of California in Berkeley eingestellt und wurde zwei Jahre später der jüngste ordentliche Professor dort. Eines Abends in ihrer Bibliothek war Lawrence von einem Diagramm eines Beschleunigers fasziniert, das hochenergetische Teilchen erzeugte. Er überlegte, wie dieser kompakter gestaltet werden könnte, und kam auf die Idee einer kreisförmigen Beschleunigungskammer zwischen den Polen eines Elektromagneten. Das Ergebnis war das erste Zyklotron.
Lawrence baute daraufhin eine Serie von immer größeren und teureren Zyklotronen. Sein Radiation Laboratory wurde 1936 zu einem offiziellen Fachbereich der University of California, mit Lawrence als Direktor. Neben der Verwendung des Zyklotrons in der Physik unterstützte Lawrence auch seine Anwendung in der Forschung zu medizinischen Einsätzen von Radioisotopen. Während des Zweiten Weltkriegs entwickelte Lawrence elektromagnetische Isotopentrennung im Radiation Laboratory. Sie nutzte Geräte, die als Kalutrone bekannt waren, eine Hybride aus dem standardmäßigen Labormasse-Spektrometer und dem Zyklotron. Eine riesige elektromagnetische Trennanlage wurde in Oak Ridge, Tennessee gebaut, die später Y-12 genannt wurde. Das Verfahren war ineffizient, aber es funktionierte.
Nach dem Krieg setzte sich Lawrence intensiv für staatliche Unterstützung großer wissenschaftlicher Programme ein und war ein energischer Verfechter der „Big Science" mit ihren Anforderungen an große Maschinen und viel Geld. Lawrence unterstützte nachdrücklich Edward Tellers Kampagne für ein zweites Kernwaffenlabor, das Lawrence in Livermore, Kalifornien ansiedelte. Nach seinem Tod benannten die Regenten der University of California das Lawrence Livermore National Laboratory und das Lawrence Berkeley National Laboratory nach ihm. Das chemische Element Nummer 103 wurde nach seiner Entdeckung in Berkeley 1961 zu Ehren Lawrencium genannt.
Frühe Jahre
Ernest Orlando Lawrence wurde am 8. August 1901 in Canton, South Dakota geboren. Seine Eltern, Carl Gustavus und Gunda geb. Jacobson Lawrence, waren beide Nachkommen norwegischer Einwanderer, die sich beim Unterrichten an der High School in Canton kennenlernten, wo sein Vater auch Schulleiter war. Er hatte einen jüngeren Bruder, John H. Lawrence, der Arzt wurde und ein Pionier im Bereich der Nuklearmedizin war. In seiner Jugend war sein bester Freund Merle Tuve, der auch ein hochrangiger Physiker werden sollte.
Lawrence besuchte die öffentlichen Schulen von Canton und Pierre und schrieb sich dann am St. Olaf College in Northfield, Minnesota ein, wechselte aber nach einem Jahr zur University of South Dakota in Vermillion. Er machte seinen Bachelor-Abschluss in Chemie 1922 und seinen Master of Arts-Abschluss in Physik 1923 an der University of Minnesota unter der Aufsicht von William Francis Gray Swann. Für seine Masterarbeit baute Lawrence einen experimentellen Apparat, der ein Ellipsoid durch ein Magnetfeld rotierte.
Lawrence folgte Swann zur University of Chicago und dann zur Yale University in New Haven, Connecticut, wo Lawrence 1925 seinen Doctor of Philosophy-Abschluss in Physik als Sloane Fellow machte und seine Doktorarbeit über den photoelektrischen Effekt in Kaliumdampf schrieb. Er wurde zum Mitglied von Sigma Xi gewählt und erhielt auf Swanns Empfehlung ein Stipendium des National Research Council. Anstatt es wie damals üblich zu nutzen, um nach Europa zu reisen, blieb er an der Yale University als Forscher bei Swann.
Mit Jesse Beams von der University of Virginia setzte Lawrence seine Forschung zum photoelektrischen Effekt fort. Sie zeigten, dass Photoelektronen innerhalb von 2 × 10⁻⁹ Sekunden nach dem Auftreffen von Photonen auf die photoelektrische Oberfläche erschienen – nahe an der Messgenauigkeitsgrenze der Zeit. Die Verkürzung der Emissionszeit durch schnelles Ein- und Ausschalten der Lichtquelle machte das Spektrum der emittierten Energie breiter, in Übereinstimmung mit Werner Heisenbergs Unschärferelation.
Frühe Karriere
1926 und 1927 erhielt Lawrence Angebote für Assistenzprofessuren von der University of Washington in Seattle und der University of California mit einem Gehalt von 3.500 Dollar pro Jahr. Yale stimmte sofort dem Angebot einer Assistenzprofessur zu, aber mit einem Gehalt von 3.000 Dollar. Lawrence beschloss, an der prestigeträchtigeren Yale zu bleiben, aber da er nie Dozent gewesen war, wurde die Ernennung von einigen seiner Fakultätskollegen missbilligt, und in den Augen vieler entschädigte sie nicht für seinen süddalotanischen Einwandererhintergrund.
Lawrence wurde 1928 als außerordentlicher Professor für Physik an der University of California eingestellt und wurde zwei Jahre später ordentlicher Professor, wodurch er der jüngste Professor der Universität wurde. Robert Gordon Sproul, der am Tag nach Lawrences Beförderung zum Professor Universitätspräsident wurde, war Mitglied des Bohemian Club und sponserte Lawrences Mitgliedschaft 1932. Durch diesen Club traf Lawrence William Henry Crocker, Edwin Pauley und John Francis Neylan. Sie waren einflussreiche Männer, die ihm halfen, Geld für seine energischen Untersuchungen zu Kernpartikeln zu beschaffen. Es gab große Hoffnungen auf medizinische Anwendungen aus der Entwicklung der Teilchenphysik, und dies führte zu vielen der frühen Finanzierungen für Fortschritte, die Lawrence erhalten konnte.
Während seiner Zeit an Yale traf Lawrence Mary Kimberly Molly Blumer, die älteste von vier Töchtern von George Blumer, dem Dekan der Yale School of Medicine. Sie trafen sich 1926 das erste Mal und verlobten sich 1931 und heirateten am 14. Mai 1932 in der Trinity Church on the Green in New Haven, Connecticut. Sie hatten sechs Kinder: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara und Susan. Lawrence benannte seinen Sohn Robert nach dem theoretischen Physiker Robert Oppenheimer, seinem nächsten Freund in Berkeley. 1941 heiratete Mollys Schwester Elsie Edwin McMillan, der 1951 den Nobelpreis für Chemie gewinnen würde.
Die Entwicklung des Zyklotrons
Erfindung
Die Erfindung, die Lawrence zu internationaler Berühmtheit brachte, begann als Skizze auf einem Stück Papierserviette. Als Lawrence eines Abends 1929 in der Bibliothek saß, blätterte er einen Artikel von Rolf Widerøe durch und war von einem der Diagramme fasziniert. Dieses zeigte ein Gerät, das hochenergetische Teilchen durch eine Abfolge kleiner „Stöße" erzeugte. Das abgebildete Gerät war in einer geraden Linie mit zunehmend längeren Elektroden angeordnet. Damals begannen Physiker, den Atomkern zu erforschen. 1919 hatte der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford Alphateilchen in Stickstoff geschossen und war erfolgreich darin, Protonen aus einigen der Atomkerne herauszuschlagen. Aber Atomkerne haben eine positive Ladung, die andere positiv geladene Atomkerne abstößt, und sie sind durch eine Kraft zusammengebunden, die Physiker damals erst zu verstehen begannen. Um sie zu zerstören, um sie zu zerlegen, würde viel höhere Energien erforderlich sein, in der Größenordnung von Millionen von Volt.
Lawrence sah, dass ein solcher Teilchenbeschleuniger bald zu lang und unhandlich für sein Universitätslabor werden würde. Während er überlegte, wie er den Beschleuniger kompakter gestalten könnte, beschloss Lawrence, eine kreisförmige Beschleunigungskammer zwischen den Polen eines Elektromagneten anzuordnen. Das Magnetfeld würde die geladenen Protonen in einer spiralförmigen Bahn halten, während sie zwischen gerade zwei halbkreisförmigen Elektroden beschleunigt wurden, die mit einem Wechselpotential verbunden waren. Nach etwa hundert Umläufen würden die Protonen als Strahl hochenergetischer Teilchen auf das Ziel treffen. Lawrence erzählte seinen Kollegen begeistert, dass er eine Methode zur Gewinnung von Teilchen sehr hoher Energie ohne die Verwendung einer hohen Spannung gefunden habe. Er arbeitete anfangs mit Niels Edlefsen zusammen. Ihr erstes Zyklotron bestand aus Messing, Draht und Siegellack und war nur vier Zoll – 10 cm im Durchmesser – es konnte buchstäblich in einer Hand gehalten werden und kostete wahrscheinlich insgesamt 25 Dollar.
Was Lawrence brauchte, um die Idee zu entwickeln, waren fähige Doktoranden, die die Arbeit verrichteten. Edlefsen verließ das Projekt im September 1930, um eine Assistenzprofessur anzunehmen, und Lawrence ersetzte ihn durch David H. Sloan und M. Stanley Livingston, die er mit der Entwicklung von Widerøes Beschleuniger bzw. Edlefsen Zyklotron beauftragte. Beide hatten ihre eigene finanzielle Unterstützung. Beide Designs erwiesen sich als praktisch, und im Mai 1931 konnte Sloans Linearbeschleuniger Ionen auf 1 MeV beschleunigen. Livingston hatte eine größere technische Herausforderung, aber als er am 2. Januar 1931 1.800 V auf sein 11-Zoll-Zyklotron anwendete, bekam er 80.000-Elektronenvolt-Protonen, die herumspinnen. Eine Woche später hatte er 1,22 MeV mit 3.000 V, mehr als genug für seine Doktorarbeit zu dessen Konstruktion.
Entwicklung
In einem Muster, das sich wiederholen würde, begann Lawrence, sobald es erste Anzeichen von Erfolg gab, die Planung einer neuen, größeren Maschine. Lawrence und Livingston erstellten Anfang 1932 ein Design für ein 27-Zoll – 69 cm Zyklotron. Der Magnet für das 800 Dollar-11-Zoll-Zyklotron wog 2 Tonnen, aber Lawrence fand einen massiven 80-Tonnen-Magnet, der rostig in einem Schrottplatz in Palo Alto stand und ursprünglich während des Ersten Weltkriegs gebaut wurde, um einen Transatlantik-Radiolink mit Strom zu versorgen. Im Zyklotron hatte er ein leistungsstarkes wissenschaftliches Instrument, aber dies führte nicht zu wissenschaftlichen Entdeckungen. Im April 1932 kündigten John Cockcroft und Ernest Walton im Cavendish Laboratory in England an, dass sie Lithium mit Protonen bombardiert und es erfolgreich in Helium umgewandelt hatten. Die erforderliche Energie erwies sich als ziemlich niedrig – gut innerhalb der Leistungsfähigkeit des 11-Zoll-Zyklotrons. Als Lawrence davon erfuhr, schickte er ein Telegramm nach Berkeley und bat, die Ergebnisse von Cockcroft und Walton zu überprüfen. Es dauerte das Team bis September, dies zu tun, hauptsächlich aufgrund fehlender angemessener Nachweisgeräte.
Obwohl wichtige Entdeckungen in Lawrences Radiation Laboratory weiterhin ausblieben, hauptsächlich wegen seiner Konzentration auf die Entwicklung des Zyklotrons statt seiner wissenschaftlichen Nutzung, konnte Lawrence durch seine immer größeren Maschinen entscheidende Ausrüstung für Experimente in der Hochenergiephysik bereitstellen. Um dieses Gerät herum baute er das, was in den 1930er Jahren zum weltweit führenden Labor für das neue Gebiet der Kernphysikforschung wurde. Er erhielt 1934 ein Patent für das Zyklotron, das er der Research Corporation, einer privaten Stiftung, die vieles von Lawrences frühen Arbeiten finanzierte, abtrat.
Im Februar 1936 machte James B. Conant, der Präsident der Harvard University, attraktive Angebote an Lawrence und Oppenheimer. Der Präsident der University of California, Robert Gordon Sproul, reagierte darauf, indem er die Bedingungen verbesserte. Das Radiation Laboratory wurde am 1. Juli 1936 zu einem offiziellen Fachbereich der University of California, mit Lawrence formal als Direktor ernannt, mit einem hauptamtlichen stellvertretenden Direktor, und die Universität stimmte zu, 20.000 Dollar pro Jahr für seine Forschungsaktivitäten zur Verfügung zu stellen. Lawrence verwendete ein einfaches Geschäftsmodell: „Er besetzte sein Labor mit Doktoranden und jungen Fakultätsmitgliedern des Physik-Departments, mit frisch ausgebildeten Ph.D.s, die bereit waren, für alles zu arbeiten, und mit Stipendienhaltern und wohlhabenden Gästen, die umsonst dienen konnten."
Rezeption
Mit dem neuen 27-Zoll-Zyklotron entdeckte das Team in Berkeley, dass jedes Element, das sie mit dem kürzlich entdeckten Deuterium bombardierten, Energie emittierte, und zwar im gleichen Bereich. Sie stellten daher die Existenz eines neuen und bisher unbekannten Teilchens in Frage, das eine mögliche Quelle unbegrenzter Energie sein könnte. William Laurence der New York Times beschrieb Lawrence als „einen neuen Wundertäter der Wissenschaft". Auf Cockcrofts Einladung hin nahm Lawrence an der Solvay-Konferenz 1933 in Belgien teil. Dies war eine regelmäßige Zusammenkunft der weltbesten Physiker. Fast alle stammten aus Europa, aber gelegentlich würde ein herausragender amerikanischer Wissenschaftler wie Robert A. Millikan oder Arthur Compton eingeladen werden. Lawrence wurde aufgefordert, einen Vortrag über das Zyklotron zu halten. Lawrences Behauptungen unbegrenzter Energie trafen auf eine ganz andere Reaktion in Solvay. Er traf auf vernichtende Skepsis von James Chadwick des Cavendish Laboratory, dem Physiker, der 1932 das Neutron entdeckt hatte, wofür ihm 1935 der Nobelpreis verliehen wurde. Mit einem britischen Akzent, der amerikanischen Ohren herablassend klang, deutete Chadwick an, dass das, was Lawrences Team beobachtete, eine Verunreinigung ihres Apparates war.
Nach seiner Rückkehr nach Berkeley mobilisierte Lawrence sein Team, um die Ergebnisse sorgfältig zu durchforsten und genug Beweise zu sammeln, um Chadwick zu überzeugen. Unterdessen entdeckten Rutherford und Mark Oliphant im Cavendish Laboratory, dass Deuterium zu Helium-3 fusioniert, was den Effekt verursacht, den die Zyklotroneers beobachtet hatten. Nicht nur war Chadwick richtig, dass sie Kontamination beobachtet hatten, sondern sie hatten auch eine weitere wichtige Entdeckung übersehen, die der Kernfusion. Lawrences Antwort war, die Schaffung noch größerer Zyklotrone voranzutreiben. Das 27-
