우리가 이 다음 모험의 한 가운데 있게 될 날이 멀지 않기를 바라는 희망을 소중히 여기자.
Ernest Orlando Lawrence는 1939년 원형 가속기(사이클로트론) 발명으로 노벨 물리학상을 수상한 선구적인 미국 핵 과학자입니다. 그는 맨해튼 프로젝트를 위한 우라늄 동위원소 분리 작업으로 알려져 있으며, Lawrence Berkeley National Laboratory와 Lawrence Livermore National Laboratory를 설립한 것으로도 유명합니다.
사우스다코타 대학교와 미네소타 대학교를 졸업한 Lawrence는 1925년 예일 대학교에서 물리학 박사 학위를 취득했습니다. 1928년 캘리포니아 대학교 버클리의 물리학 부교수로 임용되었고, 2년 후 그곳에서 가장 젊은 정교수가 되었습니다. 어느 저녁 도서관에서 Lawrence는 고에너지 입자를 생성하는 가속기 다이어그램을 보고 흥미를 느꼈습니다. 그는 이것을 어떻게 더 작게 만들 수 있을지 고민했고, 전자석의 극 사이에 원형 가속 챔버를 배치하는 아이디어를 떠올렸습니다. 그 결과가 최초의 사이클로트론입니다.
Lawrence는 계속해서 더 크고 더 비싼 일련의 사이클로트론을 제작했습니다. 그의 방사선 연구소는 1936년 캘리포니아 대학교의 공식 부서가 되었으며, Lawrence가 그 책임자가 되었습니다. 물리학 분야 외에도 Lawrence는 방사성 동위원소의 의학적 용도 연구에서의 사이클로트론 사용을 지지했습니다. 제2차 세계 대전 중 Lawrence는 방사선 연구소에서 전자기 동위원소 분리를 개발했습니다. 이것은 표준 실험실용 질량 분석기와 사이클로트론의 하이브리드인 칼루트론이라고 불리는 장치를 사용했습니다. 테네시주 오크릿지에 거대한 전자기 분리 시설이 건설되었으며, 이를 Y-12라고 불렀습니다. 이 과정은 비효율적이었지만 작동했습니다.
전쟁 후 Lawrence는 대규모 과학 프로젝트에 대한 정부 후원을 광범위하게 캠페인했으며, 대규모 기계와 막대한 자금이 필요한 "빅 사이언스"의 강력한 옹호자였습니다. Lawrence는 Edward Teller의 제2 핵무기 연구소 건설 캠페인을 강력히 지지했으며, 이를 캘리포니아의 Livermore에 위치시켰습니다. 그의 사망 후 캘리포니아 대학교 이사진은 Lawrence Livermore National Laboratory와 Lawrence Berkeley National Laboratory를 그의 이름으로 개명했습니다. 화학 원소 103번은 1961년 Berkeley에서의 발견 후 그를 기리기 위해 lawrencium으로 명명되었습니다.
초기 생애
Ernest Orlando Lawrence는 1901년 8월 8일 사우스다코타주 Canton에서 태어났습니다. 그의 부모인 Carl Gustavus와 Gunda (구성 성 Jacobson) Lawrence는 모두 노르웨이 이민자의 자녀였으며, Canton의 고등학교에서 교사로 일하던 중 만났는데, 그의 아버지는 또한 학교 교육감이었습니다. 그는 나중에 의사가 되고 핵의학 분야의 선구자가 된 동생 John H. Lawrence가 있었습니다. 어렸을 때 그의 가장 친한 친구는 역시 뛰어난 물리학자가 된 Merle Tuve였습니다.
Lawrence는 Canton과 Pierre의 공립학교에 다닌 후 미네소타주 Northfield의 St. Olaf College에 입학했지만, 1년 후 Vermillion의 사우스다코타 대학교로 전학했습니다. 그는 1922년에 화학 학사 학위를, William Francis Gray Swann의 지도 아래 1923년에 미네소타 대학교에서 물리학 석사(M.A.) 학위를 취득했습니다. 그의 석사 논문을 위해 Lawrence는 자기장을 통해 타원체를 회전시키는 실험 장치를 제작했습니다.
Lawrence는 Swann을 따라 시카고 대학교로, 그 다음 코네티컷주 New Haven의 예일 대학교로 갔으며, 거기서 Sloane Fellow로 1925년 물리학 박사(Ph.D.) 학위를 취득했으며, 칼륨 증기의 광전 효과에 대한 박사 논문을 작성했습니다. 그는 Sigma Xi의 회원으로 선출되었고, Swann의 추천으로 National Research Council 펠로우십을 받았습니다. 당시 관례대로 유럽으로 여행을 가는 대신, 그는 Swann과 함께 예일 대학교에서 연구자로 남았습니다.
Lawrence는 버지니아 대학교의 Jesse Beams와 함께 광전 효과에 대한 연구를 계속했습니다. 그들은 광전자가 광자가 광전 표면을 때린 후 2 x 10⁻⁹초 이내에 나타났음을 보여주었습니다—당시 측정의 한계에 가까운 것이었습니다. 광원을 빠르게 켜고 끄는 방식으로 방출 시간을 단축하면 방출된 에너지의 스펙트럼이 넓어졌으며, 이는 Werner Heisenberg의 불확정성 원리와 일치했습니다.
초기 경력
1926년과 1927년에 Lawrence는 Seattle의 워싱턴 대학교와 캘리포니아 대학교에서 연봉 $3,500의 조교수 제안을 받았습니다. 예일 대학교는 즉시 조교수 제안을 맞췄지만 연봉은 $3,000이었습니다. Lawrence는 더 명망 있는 예일을 선택했지만, 그가 강사 경험이 없었기 때문에 동료 교수들 중 일부는 이 임용을 좋아하지 않았고, 많은 사람들의 눈에는 여전히 그의 사우스다코타 이민자 출신 배경을 보상하지 못했습니다.
Lawrence는 1928년 캘리포니아 대학교의 물리학 부교수로 임용되었고, 2년 후 정교수가 되어 대학의 가장 젊은 교수가 되었습니다. Lawrence가 교수가 된 그 다음 날 대학 총장이 된 Robert Gordon Sproul은 Bohemian Club의 회원이었으며, 1932년 Lawrence의 멤버십을 후원했습니다. 이 클럽을 통해 Lawrence는 William Henry Crocker, Edwin Pauley, 그리고 John Francis Neylan을 만났습니다. 그들은 영향력 있는 인물들로 그가 에너지 많은 핵 입자 연구를 위한 자금을 확보하는 데 도움을 주었습니다. 입자 물리학 발전에서 의학적 용도가 나올 것이라는 커다란 희망이 있었고, 이것이 Lawrence가 얻을 수 있었던 진전을 위한 초기 자금의 대부분을 이끌었습니다.
예일에 있을 때 Lawrence는 Yale School of Medicine의 학장인 George Blumer의 맏딸인 Mary Kimberly Molly Blumer를 만났습니다. 그들은 1926년에 처음 만났고 1931년에 약혼했으며, 1932년 5월 14일 코네티컷주 New Haven의 Trinity Church on the Green에서 결혼했습니다. 그들은 6명의 자녀를 두었습니다: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara, 그리고 Susan. Lawrence는 그의 아들 Robert를 Berkeley에서의 가장 친한 친구인 이론 물리학자 Robert Oppenheimer의 이름을 따라 지었습니다. 1941년에 Molly의 여동생 Elsie는 1951년 노벨 화학상을 수상할 Edwin McMillan과 결혼했습니다.
사이클로트론의 개발
발명
Lawrence를 국제적 명성으로 이끈 발명은 냅킨 조각에 그려진 스케치로 시작되었습니다. 1929년 어느 저녁 도서관에 앉아 있던 중 Lawrence는 Rolf Widerøe의 저널 기사를 훑어보다가 다이어그램 중 하나에 매력을 느꼈습니다. 이것은 일련의 작은 "푸시"를 통해 고에너지 입자를 생성하는 장치를 보여주었습니다. 그려진 장치는 점점 더 긴 전극을 사용하여 일직선으로 배치되어 있었습니다. 당시 물리학자들은 원자핵을 탐구하기 시작했습니다. 1919년 뉴질랜드 물리학자 Ernest Rutherford는 알파 입자를 질소에 쏘아 일부 핵에서 양성자를 튀어나오게 하는 데 성공했습니다. 하지만 핵은 다른 양전하 핵을 밀어내는 양전하를 가지고 있으며, 물리학자들이 이제 막 이해하기 시작한 힘으로 강하게 결합되어 있습니다. 그것들을 부수려면, 분해하려면 수백만 볼트 정도의 훨씬 더 높은 에너지가 필요했습니다.
Lawrence는 그러한 입자 가속기가 곧 자신의 대학 실험실에 너무 길고 다루기 어려워질 것임을 알았습니다. 가속기를 더 소형화하는 방법을 생각하면서 Lawrence는 전자석의 극 사이에 원형 가속 챔버를 배치하기로 결정했습니다. 자기장은 2개의 교대 전위로 연결된 반원형 전극 사이에서 가속되는 동안 하전된 양성자를 나선형 경로로 유지할 것입니다. 약 백 번의 회전 후, 양성자는 고에너지 입자 빔으로 표적에 충돌할 것입니다. Lawrence는 흥분하여 동료들에게 높은 전압을 사용하지 않고도 매우 높은 에너지의 입자를 얻는 방법을 발견했다고 말했습니다. 그는 처음에 Niels Edlefsen과 함께 일했습니다. 그들의 첫 번째 사이클로트론은 황동, 철선, 그리고 밀랍으로 만들어졌으며 지름이 단 4인치(10 cm)였습니다—말 그대로 한 손에 쥘 수 있었으며, 아마도 총 비용이 $25였을 것입니다.
Lawrence가 이 아이디어를 개발하기 위해 필요한 것은 일을 할 수 있는 유능한 대학원생들이었습니다. Edlefsen은 1930년 9월에 조교수직을 맡기 위해 떠났고, Lawrence는 그를 David H. Sloan과 M. Stanley Livingston으로 바꾸었으며, 각각 Widerøe의 가속기와 Edlefsen의 사이클로트론을 개발하도록 했습니다. 둘 다 자체 재정 지원이 있었습니다. 두 설계 모두 실용성이 입증되었으며, 1931년 5월까지 Sloan의 선형 가속기는 이온을 1 MeV로 가속할 수 있었습니다. Livingston은 더 큰 기술적 도전을 받았지만, 1931년 1월 2일 그의 11인치 사이클로트론에 1,800 V를 적용했을 때, 그는 80,000전자볼트 양성자를 회전시켰습니다. 일주일 후, 그는 3,000 V로 1.22 MeV를 얻었으며, 이는 사이클로트론의 구축에 관한 박사 논문을 작성하기에 충분했습니다.
개발
반복되는 패턴이 될 일에서, 성공의 첫 신호가 보이자마자 Lawrence는 새롭고 더 큰 기계를 계획하기 시작했습니다. Lawrence와 Livingston은 1932년 초에 27인치(69 cm) 사이클로트론을 위한 설계를 작성했습니다. $800 11인치 사이클로트론의 자석은 2톤의 무게였지만, Lawrence는 원래 제1차 세계 대전 중에 대서양 횡단 무선 연결에 전력을 공급하기 위해 제작된 27인치용으로 Palo Alto의 폐품 더미에 녹슬어 있는 거대한 80톤 자석을 발견했습니다. 사이클로트론에서 그는 강력한 과학 기구를 가지고 있었지만, 이것은 과학적 발견으로 전환되지 않았습니다. 1932년 4월 영국 Cavendish Laboratory의 John Cockcroft와 Ernest Walton은 리튬을 양성자로 폭격하여 헬륨으로 변환시키는 데 성공했다고 발표했습니다. 필요한 에너지는 매우 낮은 것으로 판명되었습니다—11인치 사이클로트론의 능력 범위 내입니다. 이를 배운 Lawrence는 Berkeley로 전신을 보내 Cockcroft와 Walton의 결과를 검증하도록 요청했습니다. 팀이 이를 수행하는 데는 9월까지 걸렸으며, 주로 적절한 탐지 장치의 부족 때문이었습니다.
중요한 발견들이 계속해서 Lawrence의 방사선 연구소를 피했지만, 주로 과학적 사용보다는 사이클로트론의 개발에 초점을 맞췄기 때문에, 점점 더 큰 기계들을 통해 Lawrence는 고에너지 물리학 실험에 필요한 중요한 장비를 제공할 수 있었습니다. 이 장치를 중심으로 그는 1930년대 핵 물리학 연구의 새로운 분야를 위한 세계 최고 수준의 실험실을 건설했습니다. 그는 1934년 사이클로트론에 대한 특허를 받았으며, 이를 Lawrence의 초기 작업의 대부분에 자금을 지원했던 민간 재단인 Research Corporation에 양도했습니다.
1936년 2월 Harvard University의 총장 James B. Conant는 Lawrence와 Oppenheimer에게 매력적인 제안을 했습니다. 캘리포니아 대학교의 총장 Robert Gordon Sproul은 조건을 개선하여 대응했습니다. 방사선 연구소는 1936년 7월 1일 캘리포니아 대학교의 공식 부서가 되었으며, Lawrence는 정식으로 그 책임자로 임명되었고, 상근 부책임자를 두었으며, 대학교는 연구 활동을 위해 연간 $20,000을 이용 가능하게 하기로 동의했습니다. Lawrence는 간단한 사업 모델을 채택했습니다: "그는 물리학과의 대학원생과 주니어 교수로 실험실을 구성했으며, 어떤 대가로든 일할 의향이 있는 신규 박사 학위 소유자들과 아무것도 제공할 수 없는 펠로우십 보유자 및 부자 손님들을 영입했습니다."
반응
새로운 27인치 사이클로트론을 사용하여 Berkeley의 팀은 최근에 발견된 중수소로 폭격한 모든 원소가 에너지를 방출했으며 같은 범위에 있다는 것을 발견했습니다. 따라서 그들은 무한한 에너지의 가능한 원천인 새롭고 지금까지 알려지지 않은 입자의 존재를 가정했습니다. The New York Times의 William Laurence는 Lawrence를 "과학의 새로운 기적의 일꾼"이라고 묘사했습니다. Cockcroft의 초대로 Lawrence는 1933년 벨기에 Solvay Conference에 참석했습니다. 이것은 세계 최고의 물리학자들의 정기적인 모임이었습니다. 거의 모두 유럽에서 왔지만 때때로 Robert A. Millikan이나 Arthur Compton과 같은 뛰어난 미국 과학자가 참석하기 위해 초대받았습니다. Lawrence는 사이클로트론에 대해 발표하도록 요청받았습니다. Lawrence의 무한한 에너지 주장은 Solvay에서 매우 다른 반응을 받았습니다. 그는 Cavendish Laboratory의 James Chadwick으로부터 신랄한 회의를
