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Ernest Orlando Lawrence était un scientifique nucléaire américain de premier plan et lauréat du prix Nobel de physique en 1939 pour son invention du cyclotron. Il est connu pour ses travaux sur la séparation des isotopes d'uranium pour le Projet Manhattan, ainsi que pour la fondation du Lawrence Berkeley National Laboratory et du Lawrence Livermore National Laboratory.
Diplômé de l'Université du South Dakota et de l'Université du Minnesota, Lawrence a obtenu un doctorat en physique à Yale en 1925. En 1928, il a été embauché comme professeur associé de physique à l'Université de Californie, Berkeley, devenant le plus jeune professeur titulaire là-bas deux ans plus tard. Un soir, dans sa bibliothèque, Lawrence a été intrigué par un diagramme d'un accélérateur qui produisait des particules à haute énergie. Il a réfléchi à la façon dont il pourrait être rendu compact et a eu l'idée d'une chambre d'accélération circulaire entre les pôles d'un électroaimant. Le résultat a été le premier cyclotron.
Lawrence a continué à construire une série de cyclotrons toujours plus grands et plus coûteux. Son Radiation Laboratory est devenu un département officiel de l'Université de Californie en 1936, avec Lawrence comme directeur. En plus de l'utilisation du cyclotron en physique, Lawrence a également soutenu son utilisation dans la recherche sur les applications médicales des radioisotopes. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Lawrence a développé la séparation électromagnétique des isotopes au Radiation Laboratory. Elle utilisait des appareils appelés calutrons, un hybride du spectromètre de masse de laboratoire standard et du cyclotron. Une énorme usine de séparation électromagnétique a été construite à Oak Ridge, Tennessee, qui a été appelée Y-12. Le processus était inefficace, mais il fonctionnait.
Après la guerre, Lawrence a mené une campagne intensive pour obtenir un financement gouvernemental de grands programmes scientifiques et a été un ardent défenseur de la « Big Science », avec ses exigences en matière de grandes machines et de gros budgets. Lawrence a fortement soutenu la campagne d'Edward Teller pour un deuxième laboratoire d'armes nucléaires, que Lawrence a implanté à Livermore, en Californie. Après sa mort, les Régents de l'Université de Californie ont renommé le Lawrence Livermore National Laboratory et le Lawrence Berkeley National Laboratory en son honneur. L'élément chimique numéro 103 a été nommé lawrencium en son honneur après sa découverte à Berkeley en 1961.
Enfance
Ernest Orlando Lawrence est né à Canton, South Dakota le 8 août 1901. Ses parents, Carl Gustavus et Gunda née Jacobson Lawrence, étaient tous deux les enfants d'immigrants norvégiens qui s'étaient rencontrés en enseignant au lycée de Canton, où son père était également surintendant des écoles. Il avait un frère cadet, John H. Lawrence, qui allait devenir médecin et était un pionnier dans le domaine de la médecine nucléaire. En grandissant, son meilleur ami était Merle Tuve, qui allait également devenir un physicien très accompli.
Lawrence a fréquenté les écoles publiques de Canton et de Pierre, puis s'est inscrit au St. Olaf College à Northfield, Minnesota, mais a transféré après un an à l'Université du South Dakota à Vermillion. Il a complété son baccalauréat en chimie en 1922 et son diplôme de Master of Arts M.A. en physique de l'Université du Minnesota en 1923 sous la supervision de William Francis Gray Swann. Pour sa mémoire de maîtrise, Lawrence a construit un appareil expérimental qui faisait tourner un ellipsoïde dans un champ magnétique.
Lawrence a suivi Swann à l'Université de Chicago, puis à l'Université Yale à New Haven, Connecticut, où Lawrence a complété son doctorat Doctor of Philosophy Ph.D. en physique en 1925 en tant que Sloane Fellow, rédigeant sa thèse de doctorat sur l'effet photoélectrique dans la vapeur de potassium. Il a été élu membre de Sigma Xi et, sur recommandation de Swann, a reçu une bourse du National Research Council. Au lieu de l'utiliser pour voyager en Europe, comme c'était la coutume à l'époque, il est resté à l'Université Yale en tant que chercheur avec Swann.
Avec Jesse Beams de l'Université de Virginie, Lawrence a continué à rechercher l'effet photoélectrique. Ils ont montré que les photoélectrons apparaissaient dans les 2 x 10−9 secondes suivant le frappement des photons sur la surface photoélectrique—près de la limite de mesure à l'époque. La réduction du temps d'émission en allumant et éteignant rapidement la source lumineuse a rendu le spectre de l'énergie émise plus large, en conformité avec le principe d'incertitude de Werner Heisenberg.
Début de carrière
En 1926 et 1927, Lawrence a reçu des offres de postes de professeur assistant de l'Université de Washington à Seattle et de l'Université de Californie à un salaire de 3 500 dollars par an. Yale a rapidement égalé l'offre de professeur assistant, mais à un salaire de 3 000 dollars. Lawrence a choisi de rester à la plus prestigieuse Yale, mais comme il n'avait jamais été instructeur, la nomination a été ressentie par certains de ses collègues, et aux yeux de beaucoup, elle ne compensait toujours pas son origine immigrée du South Dakota.
Lawrence a été embauché comme professeur associé de physique à l'Université de Californie en 1928 et deux ans plus tard, il est devenu professeur titulaire, devenant le plus jeune professeur de l'université. Robert Gordon Sproul, qui devint président de l'université le jour après que Lawrence devienne professeur, était membre du Bohemian Club et a parrainé l'adhésion de Lawrence en 1932. Par l'intermédiaire de ce club, Lawrence a rencontré William Henry Crocker, Edwin Pauley et John Francis Neylan. C'étaient des hommes influents qui l'ont aidé à obtenir de l'argent pour ses recherches énergiques sur les particules nucléaires. Il y avait un grand espoir de voir émerger des applications médicales du développement de la physique des particules, ce qui a conduit à une grande partie du financement initial pour les avancées que Lawrence a pu obtenir.
Pendant qu'il était à Yale, Lawrence a rencontré Mary Kimberly Molly Blumer, l'aînée de quatre filles de George Blumer, le doyen de la Yale School of Medicine. Ils se sont rencontrés pour la première fois en 1926 et se sont fiancés en 1931 et se sont mariés le 14 mai 1932 à la Trinity Church on the Green à New Haven, Connecticut. Ils ont eu six enfants : Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara et Susan. Lawrence a nommé son fils Robert en l'honneur du physicien théoricien Robert Oppenheimer, son plus proche ami à Berkeley. En 1941, la sœur de Molly, Elsie, a épousé Edwin McMillan, qui allait remporter le prix Nobel de chimie en 1951.
Le développement du cyclotron
Invention
L'invention qui a porté Lawrence à la renommée internationale a commencé comme un croquis sur un morceau de serviette en papier. En s'asseyant un soir en 1929 dans la bibliothèque, Lawrence a jeté un coup d'œil à un article de journal de Rolf Widerøe et a été intrigué par l'un des diagrammes. Celui-ci représentait un appareil qui produisait des particules à haute énergie au moyen d'une succession de petites « impulsions ». L'appareil représenté était disposé en ligne droite en utilisant des électrodes progressivement plus longues. À l'époque, les physiciens commençaient à explorer le noyau atomique. En 1919, le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford avait tiré des particules alpha sur l'azote et avait réussi à frapper des protons hors de certains noyaux. Mais les noyaux ont une charge positive qui repousse les autres noyaux chargés positivement, et ils sont liés ensemble fortement par une force que les physiciens commençaient à peine à comprendre. Pour les casser, pour les désintégrer, il faudrait des énergies beaucoup plus élevées, de l'ordre de millions de volts.
Lawrence a vu qu'un tel accélérateur de particules deviendrait bientôt trop long et encombrant pour le laboratoire de son université. En réfléchissant à un moyen de rendre l'accélérateur plus compact, Lawrence a décidé de placer une chambre d'accélération circulaire entre les pôles d'un électroaimant. Le champ magnétique maintiendrait les protons chargés dans une trajectoire spirale alors qu'ils étaient accélérés entre seulement deux électrodes semi-circulaires connectées à un potentiel alternatif. Après une centaine de tours environ, les protons frappaient la cible comme un faisceau de particules à haute énergie. Lawrence a dit avec enthousiasme à ses collègues qu'il avait découvert une méthode pour obtenir des particules de très haute énergie sans utiliser de tension élevée. Il a d'abord travaillé avec Niels Edlefsen. Leur premier cyclotron était fabriqué en laiton, fil et cire à cacheter et n'avait que quatre pouces 10 cm de diamètre—il pouvait littéralement être tenu d'une main, et a probablement coûté 25 dollars en tout.
Ce dont Lawrence avait besoin pour développer l'idée, c'était des étudiants diplômés capables de faire le travail. Edlefsen a quitté pour prendre un poste de professeur assistant en septembre 1930, et Lawrence l'a remplacé par David H. Sloan et M. Stanley Livingston, à qui il a confié le travail de développement de l'accélérateur de Widerøe et du cyclotron d'Edlefsen, respectivement. Tous deux avaient leur propre soutien financier. Les deux modèles se sont avérés pratiques et, en mai 1931, l'accélérateur linéaire de Sloan a pu accélérer les ions à 1 MeV. Livingston avait un défi technique plus important, mais lorsqu'il a appliqué 1 800 V à son cyclotron de 11 pouces le 2 janvier 1931, il a obtenu des protons de 80 000 électrons-volts en rotation. Une semaine plus tard, il avait 1,22 MeV avec 3 000 V, plus que suffisant pour sa thèse de doctorat sur sa construction.
Développement
Dans ce qui allait devenir un schéma récurrent, dès qu'il y avait un premier signe de succès, Lawrence a commencé à planifier une nouvelle machine plus grande. Lawrence et Livingston ont établi un plan pour un cyclotron de 27 pouces 69 cm au début de 1932. L'aimant du cyclotron de 11 pouces de 800 dollars pesait 2 tonnes, mais Lawrence a trouvé un énorme aimant de 80 tonnes qui rouillait dans une casse à Palo Alto pour le cyclotron de 27 pouces qui avait été construit à l'origine pendant la Première Guerre mondiale pour alimenter une liaison radio transatlantique. Dans le cyclotron, il avait un puissant instrument scientifique, mais cela ne s'est pas traduit par une découverte scientifique. En avril 1932, John Cockcroft et Ernest Walton au Cavendish Laboratory en Angleterre ont annoncé qu'ils avaient bombardé le lithium avec des protons et avaient réussi à le transformer en hélium. L'énergie requise s'est avérée être assez faible—bien à la portée du cyclotron de 11 pouces. À l'apprentissage de cela, Lawrence a envoyé un télégramme à Berkeley et a demandé à ce que les résultats de Cockcroft et Walton soient vérifiés. L'équipe a pris jusqu'à septembre pour le faire, principalement en raison d'un manque d'appareil de détection adéquat.
Bien que des découvertes importantes aient continué à échapper au Radiation Laboratory de Lawrence, principalement en raison de sa concentration sur le développement du cyclotron plutôt que sur son utilisation scientifique, grâce à ses machines de plus en plus grandes, Lawrence a pu fournir l'équipement crucial nécessaire aux expériences en physique des hautes énergies. Autour de cet appareil, il a construit ce qui est devenu le laboratoire le plus important au monde pour le nouveau domaine de la recherche en physique nucléaire dans les années 1930. Il a reçu un brevet pour le cyclotron en 1934, qu'il a cédé à la Research Corporation, une fondation privée qui a financé une grande partie des premiers travaux de Lawrence.
En février 1936, James B. Conant, le président de l'Université Harvard, a fait des offres attrayantes à Lawrence et Oppenheimer. Le président de l'Université de Californie, Robert Gordon Sproul, a réagi en améliorant les conditions. Le Radiation Laboratory est devenu un département officiel de l'Université de Californie le 1er juillet 1936, avec Lawrence nommé officiellement directeur, avec un directeur adjoint à temps plein, et l'université a accepté de rendre disponibles 20 000 dollars par an pour ses activités de recherche. Lawrence a employé un modèle économique simple : « Il a staffé son laboratoire d'étudiants diplômés et de jeunes professeurs du département de physique, avec des titulaires de doctorats frais prêts à travailler pour n'importe quoi, et avec des boursiers et des invités riches capables de servir gratuitement. »
Réception
En utilisant le nouveau cyclotron de 27 pouces, l'équipe à Berkeley a découvert que chaque élément qu'ils bombardaient avec le deutérium récemment découvert émettait de l'énergie, et dans la même gamme. Ils ont donc posé l'hypothèse de l'existence d'une nouvelle particule jusque-là inconnue qui était une source possible d'énergie illimitée. William Laurence du New York Times a décrit Lawrence comme « un nouveau faiseur de miracles de la science ». À l'invitation de Cockcroft, Lawrence a assisté à la Conférence Solvay de 1933 en Belgique. C'était une réunion régulière des meilleurs physiciens du monde. Presque tous étaient originaires d'Europe, mais occasionnellement, un éminent scientifique américain comme Robert A. Millikan ou Arthur Compton était invité à y assister. Lawrence a été invité à faire une présentation sur le cyclotron. Les affirmations de Lawrence concernant l'énergie illimitée ont reçu une réception très différente à Solvay. Il a rencontré un scepticisme cinglant de James Chadwick du Cavendish Laboratory, le physicien qui avait découvert le neutron en 1932, pour lequel il a reçu le prix Nobel en 1935. Avec un accent britannique qui semblait condescendant aux oreilles américaines, Chadwick a suggéré que ce que l'équipe de Lawrence observait était une contamination de leur appareil.
À son retour à Berkeley, Lawrence a mobilisé son équipe pour examiner minutieusement les résultats afin de recueillir suffisamment de preuves pour convaincre Chadwick. Pendant ce temps, au laboratoire Cavendish, Rutherford et Mark Oliphant ont découvert que le deutérium fusionne pour former de l'hélium-3, ce qui provoque l'effet que les cyclotroniers avaient observé. Non seulement Chadwick avait raison sur le fait qu'ils avaient observé une contamination, mais ils avaient également négligé une autre découverte importante, celle de la fusion nucléaire. La réponse de Lawrence a été de continuer à créer des cyclotrons encore plus grands. Le 27-
