Лоуренс Эрнест Орландо (1901—1958) Американский физик

Лоуренс Эрнест Орландо

(1901—1958)

Американский физик

Эрнест Орландо Лоуренс родился 8 августа 1901 в Кантоне (штат Южная Дакота). Он был старшим сыном Карла Густава и Гунды (Джекобсон) Лоуренс. Родители Лоуренса эмигрировали в Соединенные Штаты из Норвегии.

Отец был управляющим местных школ, а затем образованием всего штата и президентом нескольких учительских колледжей; мать тоже работала в системе образования. Лоуренс учился в городских школах Кантона и Пьерра. В свободное время он и его лучший друг и сосед Мерл Тьюв, также ставший выдающимся физиком, строили планеры и создали свою собственную систему беспроволочного телеграфа.

Когда один из его двоюродных братьев умер от лейкемии, Лоуренс решил стать медиком. Получив стипендию, он 1918 году поступил в колледж св. Олафа в Нортфилде (штат Миннесота), но через год перешел в университет Южной Дакоты. Там профессор электротехники Льюис Э. Эйкели привлек Лоуренса к углубленным занятиям физикой. Пос ле получения в 1922 году диплома бакалавра наук с отличием Лоуренс поступил в аспирантуру университета штата Миннесота к У. Ф. Г. Сванну. В аспирантуре он занимался экспериментальным исследованием электрической индукции и в 1923 году получил ученую степень магистра наук.

Через год Лоуренс вместе со своим учителем Сванном перешел в Чикагский университет. Там его интерес к физике еще более возрос после встреч с Нильсом Бором, Артуром Комптоном, Альбертом А. Майкельсоном, X. А. Вильсоном и другими выдающимися физиками. Через год после перехода осенью 1924 года в Йельский университет Лоуренс получил докторскую степень. Его диссертация о фотоэлектрическом эффекте в парах калия стала первой из его значительных работ в этой области физики.

В Калифорнии Лоуренс продолжил начатые исследования в таких областях, как фотоэлектричество и измерение очень коротких промежутков времени.

Затем Лоуренс обратился к ядерной физике, которая тогда быстро развивалась. В 1919 году Эрнест Резерфорд расщепил атомное ядро, бомбардируя его альфа-частицами, испускаемыми радием.

Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили линейные ускорители частиц, работавшие при очень высоких напряжениях. В этих устройствах положительно заряженные частицы разгонялись по прямой в направлении притягивавшего их отрицательного электрода и приобретали энергию, пропорциональную приложенному напряжению.

Линейные ускорители не нравились Лоуренсу, так как в них время от времени происходил пробой изоляции и возникал высоковольтный разряд, напоминающий по виду молнию. В 1929 году Лоуренсу попалась на глаза статья на немецком языке инженера норвежского происхождения Рольфа Видерее, прочитав которую Лоуренс понял, что частицы можно ускорять, повышая напряжение постепенно, что прямолинейный путь можно изогнуть в окружность. Проделав необходимые расчеты, он вместе с несколькими сотрудниками приступил к проектированию и постройке первого циклотрона. Именно с его созданием обычно связывают имя Лоуренса.

Основная идея Лоуренса состояла в том, что заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружностям. Так происходит потому, что движущийся заряд представляет собой электрический ток, который, как и ток в обмотках электромагнита, создает магнитное поле. Подобно двум магнитам, поднесенным вплотную друг к другу, частица и внешний магнит действуют друг на друга с определенной силой, но двигаться может только частица (в случае двух сближаемых магнитов это соответствует тому, что один магнит жестко закреплен, а другой может двигаться). Направление силы всегда образует прямые углы с направлением магнитного поля и с направлением движения частицы. Поскольку направление частицы постоянно изменяется, частица движется по окружности. Важная особенность движения частицы состоит в том, что она всегда описывает полную окружность за одно и то же время независимо от скорости (кинетической энергии) частицы. Но диаметр окружности тем больше, чем больше скорость частицы. Именно эти особенности движения частиц и использовал Лоуренс, проектируя свой циклотрон.

После первого, довольно несовершенного циклотрона, построенного в 1930 году, Лоуренс и его коллеги из Беркли быстро создали одну за другой более крупные модели. Используя 80-тонный магнит, предоставленный ему Федеральной телеграфной компанией, Лоуренс ускорял частицы до рекордных энергий в много миллионов электрон-вольт. Циклотроны оказались идеальными экспериментальными приборами. В отличие от частиц, испускаемых ядрами при радиоактивном распаде, пучок частиц, выводимых из циклотрона, был однонаправленным, их энергию можно было регулировать, а интенсивность потока была несравненно выше, чем от любого радиоактивного источника.

Высокие энергии, достигнутые Лоуренсом и его сотрудниками, открыли перед физиками обширное новое поле для исследований. Бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. Иногда ускоренные частицы «прилипали» к ядрам-мишеням или вызывали ядерные реакции, среди продуктов которых встречались новые элементы, не существующие на Земле в естественных условиях. Полученные результаты показали, что если бы частицы можно было ускорять до достаточно больших энергий, то с помощью циклотрона можно было бы осуществить почти любую ядерную реакцию. Циклотрон использовался и для измерения энергий связи многих ядер, и (путем сравнения разности масс до и после ядерной реакции) для проверки соотношения между массой и энергией.

Циклотрон позволил создать радиоактивные изотопы для медицинских целей. Над биомедицинским применением ядерной физики Лоуренс работал вместе со своим младшим братом Джоном, медиком и директором Биофизической лаборатории в Беркли. Джон Лоуренс с успехом использовал изотопы для лечения раковых больных, в том числе своей матери, у которой был неоперабельный случай заболевания раком. После курса лечения она прожила еще 20 лет.

Эрнест Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 году «за изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов». Из-за начавшейся второй мировой войны церемония вручения премии была отменена. По поводу работ Лоуренса Манне Сигбанн из Шведской королевской академии наук заявил, что изобретение циклотрона вызвало «взрыв в развитии ядерных исследований… В истории экспериментальной физики… циклотрон занимает исключительное место. Вне всякого сомнения, циклотрон является самым большим и самым сложным из всех когда-либо построенных научных приборов». Нобелевская премия была вручена Лоуренс в 1941 году на торжествах, состоявшихся в Беркли.

Успех, достигнутый Лоуренсом, оказался достаточно внушительным. В Окридже (штат Теннесси) в рамках Манхэттенского проекта (секретного плана создания американской атомной бомбы) были построены сотни масс-спектрометров по образу и подобию циклотрона в Беркли с 184-дюймовым магнитом. Почти весь уран в бомбе, сброшенной в августе 1945 года на Хиросиму, был получен Лоуренсом и его сотрудниками в Беркли. Впоследствии окриджский завод по разделению изотопов с помощью масс-спектрометров был закрыт, так как газодиффузионный метод оказался более эффективным.

В конце войны Лоуренс и его сотрудники вернулись к фундаментальным исследованиям. Правда, Лоуренс по-прежнему принимал участие в создании ядерного оружия. Ему были выделены фонды для развертывания в Ливерморе (неподалеку от Беркли) второй научно-исследовательской лаборатории для нужд военной промышленности. Она была независима от Лос-Аламосской лаборатории, созданной в рамках Манхэттенского проекта. Получившее впоследствии наименование Ливерморской лаборатории Лоуренса, это научно-исследовательское учреждение стало главным центром, в котором велись работы по созданию водородной бомбы.

В 1932 году Лоуренс вступил в брак с Мэри Кимберли Блумер, дочерью декана медицинской школы Йельского университета. У Лоуренсов родилось шестеро детей.

Несмотря на свою занятость, Лоуренс обожал заниматься греблей, теннисом. Любил слушать музыку, кататься на коньках. Он был неординарной личностью, обладал огромным запасом жизненных сил и природной смекалкой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.