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Ernest Orlando Lawrence è stato uno scienziato nucleare americano pionieristico e vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 1939 per la sua invenzione del ciclotrone. È noto per il suo lavoro sulla separazione degli isotopi dell'uranio per il Progetto Manhattan, nonché per aver fondato il Lawrence Berkeley National Laboratory e il Lawrence Livermore National Laboratory.
Laureato presso l'Università del South Dakota e dell'Università del Minnesota, Lawrence ha ottenuto un dottorato in fisica a Yale nel 1925. Nel 1928, è stato assunto come professore associato di fisica presso l'Università della California, Berkeley, diventando il più giovane professore ordinario lì due anni dopo. In una sera nella biblioteca dell'università, Lawrence rimase affascinato da un diagramma di un acceleratore che produceva particelle ad alta energia. Ha riflettuto su come potrebbe essere reso più compatto e ha avuto l'idea di una camera di accelerazione circolare tra i poli di un elettromagnete. Il risultato fu il primo ciclotrone.
Lawrence ha continuato a costruire una serie di ciclotroni sempre più grandi e costosi. Il suo Radiation Laboratory divenne un dipartimento ufficiale dell'Università della California nel 1936, con Lawrence come direttore. Oltre all'uso del ciclotrone per la fisica, Lawrence ha anche supportato il suo uso nella ricerca degli usi medici dei radioisotopi. Durante la Seconda Guerra Mondiale, Lawrence ha sviluppato la separazione elettromagnetica degli isotopi al Radiation Laboratory. Utilizzava dispositivi noti come calutron, un ibrido tra lo spettrometro di massa standard da laboratorio e il ciclotrone. Un gigantesco impianto di separazione elettromagnetica è stato costruito a Oak Ridge, Tennessee, che è stato chiamato Y-12. Il processo era inefficiente, ma ha funzionato.
Dopo la guerra, Lawrence ha condotto una campagna estesa per il patrocinio governativo di grandi programmi scientifici, ed è stato un deciso sostenitore della "Big Science", con i suoi requisiti di grandi macchine e molti finanziamenti. Lawrence ha fortemente appoggiato la campagna di Edward Teller per un secondo laboratorio di armi nucleari, che Lawrence ha localizzato a Livermore, California. Dopo la sua morte, i Reggenti dell'Università della California hanno rinominato il Lawrence Livermore National Laboratory e il Lawrence Berkeley National Laboratory in suo onore. L'elemento chimico numero 103 è stato chiamato laurenzio in suo onore dopo la sua scoperta a Berkeley nel 1961.
I primi anni
Ernest Orlando Lawrence è nato a Canton, South Dakota l'8 agosto 1901. I suoi genitori, Carl Gustavus e Gunda nata Jacobson Lawrence, erano entrambi figli di immigrati norvegesi che si erano incontrati mentre insegnavano alla scuola superiore a Canton, dove suo padre era anche il sovrintendente delle scuole. Aveva un fratello minore, John H. Lawrence, che sarebbe diventato un medico e fu un pioniere nel campo della medicina nucleare. Da giovane, il suo migliore amico era Merle Tuve, che sarebbe diventato anche lui un fisico di grande successo.
Lawrence ha frequentato le scuole pubbliche di Canton e Pierre, quindi si è iscritto al St. Olaf College a Northfield, Minnesota, ma ha trasferito dopo un anno all'Università del South Dakota a Vermillion. Ha completato la laurea in chimica nel 1922 e la laurea di Master of Arts M.A. in fisica dall'Università del Minnesota nel 1923 sotto la supervisione di William Francis Gray Swann. Per la sua tesi di master, Lawrence ha costruito un apparato sperimentale che faceva ruotare un ellissoide attraverso un campo magnetico.
Lawrence ha seguito Swann all'Università di Chicago, e poi a Yale University a New Haven, Connecticut, dove Lawrence ha completato il suo dottorato di ricerca Ph.D. in fisica nel 1925 come Sloane Fellow, scrivendo la sua tesi di dottorato sull'effetto fotoelettrico nel vapore di potassio. È stato eletto membro della Sigma Xi e, per raccomandazione di Swann, ha ricevuto una borsa del National Research Council. Invece di usarla per viaggiare in Europa, come era consuetudine all'epoca, è rimasto a Yale University con Swann come ricercatore.
Con Jesse Beams dell'Università della Virginia, Lawrence ha continuato a ricercare l'effetto fotoelettrico. Hanno dimostrato che gli fotoelettroni apparvero entro 2 x 10−9 secondi dal colpire dei fotoni sulla superficie fotoelettrica, vicino al limite di misurazione dell'epoca. La riduzione del tempo di emissione accendendo e spegnendo rapidamente la sorgente luminosa ha reso lo spettro dell'energia emessa più ampio, in conformità con il principio di indeterminazione di Werner Heisenberg.
I primi anni di carriera
Nel 1926 e 1927, Lawrence ha ricevuto offerte di incarichi di professore assistente dall'Università di Washington a Seattle e dall'Università della California a uno stipendio di $3.500 all'anno. Yale ha prontamente pareggiato l'offerta di professore assistente, ma a uno stipendio di $3.000. Lawrence ha scelto di rimanere all'università più prestigiosa, ma poiché non era mai stato un istruttore, l'incarico è stato risentito da alcuni dei suoi colleghi di facoltà, e agli occhi di molti non compensava ancora il suo background di immigrato del South Dakota.
Lawrence è stato assunto come professore associato di fisica all'Università della California nel 1928, e due anni dopo è diventato professore ordinario, diventando il più giovane professore dell'università. Robert Gordon Sproul, che divenne presidente dell'università il giorno dopo che Lawrence divenne professore, era membro del Bohemian Club, e patrocinò l'iscrizione di Lawrence nel 1932. Attraverso questo club, Lawrence ha incontrato William Henry Crocker, Edwin Pauley e John Francis Neylan. Erano uomini influenti che lo hanno aiutato a ottenere denaro per le sue energiche indagini sulle particelle nucleari. C'era una grande speranza per gli usi medici che derivassero dallo sviluppo della fisica delle particelle, e questo ha portato a gran parte dei primi finanziamenti che Lawrence è stato in grado di ottenere.
Mentre era a Yale, Lawrence ha incontrato Mary Kimberly Molly Blumer, la maggiore delle quattro figlie di George Blumer, il preside della Yale School of Medicine. Si sono incontrati per la prima volta nel 1926 e si sono fidanzati nel 1931, e si sono sposati il 14 maggio 1932, a Trinity Church on the Green a New Haven, Connecticut. Hanno avuto sei figli: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara e Susan. Lawrence ha chiamato suo figlio Robert dal fisico teorico Robert Oppenheimer, il suo amico più caro a Berkeley. Nel 1941, la sorella di Molly Elsie ha sposato Edwin McMillan, che avrebbe vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 1951.
Lo sviluppo del ciclotrone
L'invenzione
L'invenzione che ha portato Lawrence alla fama internazionale è iniziata come uno schizzo su un pezzo di tovagliolo di carta. Mentre sedeva in biblioteca una sera nel 1929, Lawrence ha scorso un articolo di una rivista di Rolf Widerøe, ed è rimasto affascinato da uno dei diagrammi. Questo raffigurava un dispositivo che produceva particelle ad alta energia per mezzo di una successione di piccole "spinte". Il dispositivo raffigurato era disposto in linea retta utilizzando elettrodi sempre più lunghi. All'epoca, i fisici stavano iniziando a esplorare il nucleo atomico. Nel 1919, il fisico neozelandese Ernest Rutherford aveva sparato particelle alfa nell'azoto ed era riuscito a buttare fuori protoni da alcuni dei nuclei. Ma i nuclei hanno una carica positiva che respinge altri nuclei caricati positivamente, e sono tenuti insieme strettamente da una forza che i fisici stavano solo iniziando a capire. Per romperli, per disintegrarli, sarebbero state necessarie energie molto più elevate, dell'ordine di milioni di volt.
Lawrence ha visto che tale acceleratore di particelle sarebbe presto diventato troppo lungo e difficile da maneggiare per il laboratorio della sua università. Riflettendo su come rendere l'acceleratore più compatto, Lawrence ha deciso di posizionare una camera di accelerazione circolare tra i poli di un elettromagnete. Il campo magnetico avrebbe mantenuto i protoni caricati positivamente in un percorso a spirale mentre venivano accelerati tra solo due elettrodi semicircolari collegati a un potenziale alternato. Dopo circa cento giri, i protoni avrebbero colpito il bersaglio come un fascio di particelle ad alta energia. Lawrence ha detto entusiasticamente ai suoi colleghi che aveva scoperto un metodo per ottenere particelle di energia molto elevata senza l'uso di alcuna alta tensione. Ha inizialmente lavorato con Niels Edlefsen. Il loro primo ciclotrone era fatto di ottone, filo e cera sigillante ed era largo solo quattro pollici 10 cm di diametro, poteva letteralmente essere tenuto in una mano, e probabilmente costava $25 in tutto.
Quello che Lawrence aveva bisogno di sviluppare l'idea era studenti di dottorato capaci di fare il lavoro. Edlefsen è partito per prendere un incarico di professore assistente nel settembre 1930, e Lawrence lo ha sostituito con David H. Sloan e M. Stanley Livingston, che ha messo al lavoro per sviluppare rispettivamente l'acceleratore di Widerøe e il ciclotrone di Edlefsen. Entrambi avevano il loro proprio supporto finanziario. Entrambi i progetti si sono dimostrati pratici, e entro maggio 1931, l'acceleratore lineare di Sloan era in grado di accelerare ioni a 1 MeV. Livingston aveva una sfida tecnica maggiore, ma quando ha applicato 1.800 V al suo ciclotrone di 11 pollici il 2 gennaio 1931, ha ottenuto protoni da 80.000 volt di elettroni che giravano intorno. Una settimana dopo, aveva 1,22 MeV con 3.000 V, più che sufficiente per la sua tesi di dottorato sulla sua costruzione.
Lo sviluppo
In quello che sarebbe diventato uno schema ricorrente, non appena c'era il primo segno di successo, Lawrence ha iniziato a pianificare una nuova macchina più grande. Lawrence e Livingston hanno elaborato un progetto per un ciclotrone da 27 pollici 69 cm nel primo 1932. Il magnete per il ciclotrone da 11 pollici da $800 pesava 2 tonnellate, ma Lawrence ha trovato un enorme magnete da 80 tonnellate che arrugginiva in un cantiere di demolizione a Palo Alto per il 27 pollici che era stato originariamente costruito durante la Prima Guerra Mondiale per alimentare un collegamento radio transatlantico. Nel ciclotrone, aveva uno strumento scientifico potente, ma questo non si tradusse in una scoperta scientifica. Ad aprile 1932, John Cockcroft e Ernest Walton al Cavendish Laboratory in Inghilterra hanno annunciato che avevano bombardato il litio con protoni e avevano avuto successo nel trasmuarlo in elio. L'energia richiesta si è rivelata essere abbastanza bassa, ben entro le capacità del ciclotrone da 11 pollici. Dopo aver saputo questo, Lawrence ha inviato un telegramma a Berkeley e ha chiesto che i risultati di Cockcroft e Walton fossero verificati. Il team ha impiegato fino a settembre per farlo, principalmente a causa della mancanza di un apparato di rilevamento adeguato.
Sebbene scoperte importanti continuassero a sfuggire al Radiation Laboratory di Lawrence, principalmente a causa della sua attenzione allo sviluppo del ciclotrone piuttosto che al suo uso scientifico, attraverso le sue macchine sempre più grandi, Lawrence è stato in grado di fornire attrezzature cruciali necessarie per gli esperimenti nella fisica ad alta energia. Intorno a questo dispositivo, ha costruito quello che divenne il laboratorio più importante del mondo per il nuovo campo della ricerca fisica nucleare negli anni '30. Ha ricevuto un brevetto per il ciclotrone nel 1934, che ha assegnato alla Research Corporation, una fondazione privata che ha finanziato gran parte dei primi lavori di Lawrence.
Nel febbraio 1936, il presidente di Harvard University, James B. Conant, ha fatto offerte interessanti a Lawrence e Oppenheimer. Il presidente dell'Università della California, Robert Gordon Sproul, ha risposto migliorando le condizioni. Il Radiation Laboratory divenne un dipartimento ufficiale dell'Università della California il 1º luglio 1936, con Lawrence formalmente nominato direttore, con un direttore assistente a tempo pieno, e l'Università ha accettato di mettere a disposizione $20.000 all'anno per le sue attività di ricerca. Lawrence ha impiegato un semplice modello di business: "Ha personalizzato il suo laboratorio con studenti di dottorato e docenti junior del dipartimento di fisica, con dottori di ricerca freschi disposti a lavorare per nulla, e con titolari di borse e ospiti ricchi in grado di servire gratuitamente."
La recezione
Usando il nuovo ciclotrone da 27 pollici, il team a Berkeley ha scoperto che ogni elemento che hanno bombardato con il deuterio scoperto di recente ha emesso energia, e nella stessa gamma. Hanno quindi postulato l'esistenza di una nuova particella finora sconosciuta che era una possibile fonte di energia illimitata. William Laurence del New York Times ha descritto Lawrence come "un nuovo operatore di miracoli della scienza". Su invito di Cockcroft, Lawrence ha partecipato alla Conferenza Solvay del 1933 in Belgio. Questa era una riunione regolare dei migliori fisici del mondo. Quasi tutti erano dall'Europa, ma occasionalmente uno scienziato americano eccezionale come Robert A. Millikan o Arthur Compton sarebbero invitati a partecipare. A Lawrence è stato chiesto di fare una presentazione sul ciclotrone. Le affermazioni di Lawrence su l'energia illimitata hanno ricevuto una ricezione molto diversa a Solvay. Si è imbattuto in uno scetticismo devastante da parte di James Chadwick del Cavendish Laboratory, il fisico che aveva scoperto il neutrone nel 1932, per il quale gli è stato assegnato il Premio Nobel nel 1935. Con un accento britannico che suonava condiscendente alle orecchie americane, Chadwick ha suggerito che quello che il team di Lawrence stava osservando era contaminazione del loro apparato.
Quando è tornato a Berkeley, Lawrence ha mobilitato il suo team per esaminare painstakingly i risultati per raccogliere abbastanza prove per convincere Chadwick. Nel frattempo, al laboratorio Cavendish, Rutherford e Mark Oliphant hanno scoperto che il deuterio si fonde per formare elio-3, che causa l'effetto che i ciclotroneers avevano osservato. Non solo Chadwick aveva ragione nel dire che stavano osservando contaminazione, ma avevano anche trascurato un'altra scoperta importante, quella della fusione nucleare. La risposta di Lawrence è stata quella di andare avanti con la creazione di ciclotroni ancora più grandi. Il 27-
