Эрнест Орландо Ло́уренс (; 8 августа 1901, Кантон, Южная Дакота, США — 27 августа 1958, Пало-Алто, Калифорния, США) — американский , создатель первого циклотрона (1930), за что он был удостоен Нобелевской премии (1939). Проводил исследования по ядерной физике и принимал участие в создании атомной бомбы.
Член Национальной академии наук США (1934), иностранный почётный член Академии наук СССР (1942).
Ранние годы Эрнест Орландо Лоуренс родился в Кантоне, штат Южная Дакота, 8 августа, 1901 года. Его родители, Карл Густавус и Гунда (урождённая Якобсон) Лоуренс, были потомками норвежских иммигрантов, которые встретились во время обучения в средней школе в Кантоне, где его отец был директором. У него был младший брат, Джон Х. Лоуренс, который впоследствии занялся медициной и был первооткрывателем в области ядерной медицины. Его лучшим другом детства был Мерль Туве, который впоследствии также стал очень квалифицированным физиком-ядерщиком.
Лоуренс посещал государственные школы Кантона и Пьера, затем поступил в Колледж Св. Олафа в Нортфилде, штат Миннесота, но через год был переведен в Университет Южной Дакоты в Вермиллионе. Он получил степень бакалавра в области химии в 1922 году и степень магистра в области физики в Миннесотском университете в 1923 году под руководством . Для своей магистерской диссертации Лоуренс построил экспериментальный аппарат, который вращал эллипсоид через магнитное поле.
Вместе с Суонном Лоуренс перешёл в Чикагский университет, а затем в Йельский университет в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, где в 1925 году Лоуренс защитил докторскую диссертацию по физике, посвящённую фотоэффекту в парах калия. Он был избран членом некоммерческого общества чести для учёных и инженеров «» и, по рекомендации Суонна, получил стипендию Национального исследовательского совета. Вместо того, чтобы потратить её на поездку в Европу, как это было принято в то время, он остался с Суонном в Йельском университете в качестве исследователя.
С Джесси Бамсом из Виргинского университета Лоуренс продолжил исследовать фотоэффект. Они показали, что фотоэлектроны появляются через 2·10−9 секунд после того, как фотоны ударяются о поверхность фотоэлектрической системы. Данная величина близка к пределу измерения, доступному в то время. Сокращение времени излучения благодаря быстрому включению и выключению источника света привело к тому, что спектр излучаемой энергии получался шире, что соответствовало принципу неопределённости Вернера Гейзенберга.
Начало карьеры В 1926 и 1927 годах Лоуренс получил предложения работы старшим преподавателем в Вашингтонском университете в Сиэтле и Калифорнийском университете в Беркли с зарплатой 3500 долларов США в год. В то же время ему поступило предложение из Йельского университета, но с зарплатой 3000 долларов. Лоуренс решил остаться в более престижном Йельском университете, но поскольку он никогда не был преподавателем, его назначение возмутило некоторых его коллег и многие не могли закрыть глаза на его происхождение из семьи иммигрантов из Южной Дакоты.
В 1928 году Лоуренс был принят на работу доцентом физики в Беркли, а через два года стал профессором, став самым молодым профессором университета. В Чешском клубе, куда Лоуренс вступил в 1930 году, он встретил Уильяма Генри Крокера, Эдвина Паули и Джона Фрэнсис Нейлана. Будучи влиятельными людьми, они помогли ему получить соответствующие материальные средства на исследования ядерных частиц. Большие надежды на использование достижений ядерной физики в медицине были основным толчком к финансированию исследований Лоуренса на ранних этапах.
Работы по циклотрону
Изобретение Изобретение, которое принесло Лоуренсу международную известность, началось с зарисовки на клочке бумажной салфетки. В 1929 году Лоуренс в библиотеке наткнулся на статью Рольфа Видероэ и заинтересовался одной из диаграмм. Его внимание привлекло изображение устройства, которое получало частицы с высокой энергией с помощью череды небольших «толчков». Изображенный прибор представлял собой электроды, выложенные в прямую линию по мере увеличения их длины (прообраз резонансного линейного ускорителя). В это время физики только начинали исследовать атомное ядро. В 1919 году, новозеландский физик Эрнест Резерфорд облучил азот альфа-частицами, в результате чего удалось выбить протон из некоторых ядер. Однако в силу своего положительного заряда ядра отталкивались друг от друга и были связаны друг с другом силой, которую физики только начинали понимать. Чтобы преодолеть эту силу требовалась гораздо более высокая энергия — порядка миллионов электрон-вольт.
Лоуренс отметил, что такой ускоритель частиц скоро станет слишком длинным и громоздким для его университетской лаборатории. Размышляя о том, как сделать ускоритель более компактным, Лоуренс решил установить круговую ускоряющую камеру между полюсами электромагнита. Протоны ускорялись двумя полукруглыми электродами, а магнитное поле придавало бы заряженным протонам спиральную траекторию. Примерно через сто оборотов можно было бы на выходе получить пучок частиц с высокой энергией. Это был способ получения частиц с очень высокой энергией без использования высокого напряжения. Лоуренс вместе с Н. Эдлефсеном сделали первый образец циклотрона, он был изготовлен из латуни, проволоки, сургуча и имел диаметр всего лишь 4 дюйма (10 см) — его можно было удерживать в одной руке.
Для развития идеи Лоуренс привлек двух аспирантов — Д.Слоана и М.Ливингстона, которые приступили к разработке ускорителя Видероэ и циклотрона Эдлефсена соответственно. Оба проекта оказались эффективными, и к маю 1931 года линейный ускоритель Слоана смог ускорить ионы до энергии 1 МэВ. У Ливингстона была более трудная техническая задача, но когда он приложил напряжение 1800 В к своему 11-дюймовому циклотрону 2 января 1931 года, он получил протоны с энергией 80 000 эВ, а через неделю — уже 1.22 МэВ при напряжении 3000 В.
Развитие Как только появились первые успехи, Лоуренс начал планировать новый, более крупный прибор. В начале 1932 года Лоуренс и Ливингстон разработали макет циклотрона размером 27 дюймов (69 см). Магнит для 11-дюймового циклотрона стоимостью 800 долларов весил 2 тонны, но Лоуренс обнаружил массивный 80-тонный магнит, ржавевший на свалке в Пало-Алто для 27-дюймовых приборов, которые первоначально были построены во время Первой мировой войны для питания трансатлантической радиосвязи. В циклотроне были установлены мощные устройства, однако даже это не привело к научному открытию. В апреле 1932 года Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в Лаборатории Кавендиша в Англии объявили, что они смогли превратить литий в гелий после его бомбардировки протонами. Необходимая энергия оказалась достаточно низкой — в пределах возможностей 11-дюймового циклотрона. Узнав об этом, Лоуренс отправил сообщение в Беркли и попросил проверить результаты Кокрофта и Уолтона. Команде потребовалось время до сентября, чтобы сделать это, в основном из-за отсутствия подходящей аппаратуры.
Важные открытия продолжали ускользать от Радиационной лаборатории Лоуренса, главным образом из-за его сосредоточения на развитии циклотрона, а не на его научном применении. Однако, благодаря его всё более крупным сооружениям, Лоуренс смог предоставить необходимое оборудование для экспериментов в физике высоких энергий. Вокруг этого устройства он построил то, что стало передовой лабораторией в мире для новой области исследований ядерной физики в 1930-х годах. Он получил патент на циклотрон в 1934 году благодаря Научно-исследовательской корпорации — частному фонду, который финансировал большую часть ранних исследований Лоуренса.
В феврале 1936 года президент Гарвардского университета Джеймс Б. Конант сделал заманчивое предложение Лоуренсу и Оппенгеймеру. Не желая отпускать талантливого учёного, президент Калифорнийского университета Роберт Г. Спрул со своей стороны ответил на этот жест улучшением условий работ для Лоуренса: с 1 июля 1936 года Радиационная лаборатория стала официальным подразделением Беркли, а Лоуренс — её директором. Университет предоставлял 20 000 долларов ежегодно на его исследовательские работы. Лоуренс собрал в своей лаборатории аспирантов и младших преподавателей физического факультета, наряду с недавно защитившимся сотрудниками, желающими работать за что угодно, а также с владельцами стипендий и состоятельными людьми, которые могли работать просто так.
Применение Используя новый 27-дюймовый циклотрон, научная группа в Беркли обнаружила, что при бомбардировке недавно обнаруженным дейтерием каждый элемент излучал энергию в одном и том же диапазоне. Они постулировали существование новой и прежде неизвестной частицы, которая была возможным источником безграничной энергии. Уильям Лоуренс из The New York Times назвал Лоуренса «новым чудотворцем науки». По приглашению Кокрофта Лоуренс присутствовал на Солвеевской конференции в 1933 году в Бельгии, где регулярно собирались лучшие физики мира. Как правило все участники были из Европы, но иногда приглашали выдающихся американских учёных, таких как Роберт Милликен или Артур Комптон. Лоуренс выступил с докладом о циклотроне. Стремления Лоуренса получить безграничную энергию встретили противоположный прием на Солвеевской конференции. Он столкнулся с испепеляющим скептицизмом представителей лаборатории Кавендиша Джеймса Чедвика, физика, который открыл нейтрон в 1932 году, за что был удостоен Нобелевской премии в 1935 году. Чедвик предположил, что научная группа Лоуренса наблюдала всего лишь за загрязнением своего аппарата.
По прибытии в Беркли Лоуренс мобилизовал свою группу, чтобы тщательно изучить результаты и собрать достаточное количество доказательств, чтобы убедить Чедвика. Между тем, в лаборатории Кавендиша Резерфорд и Олифант обнаружили, что два атома дейтерия, сливаясь, образуют гелий-3, что и вызывает эффект, наблюдаемый циклотронами. Мало того, что Чедвик был прав в том, что они наблюдали за загрязнением прибора, но они упустили ещё одно важное открытие — ядерное слияние. Лоуренс стал настаивать на создании ещё больших циклотронов. 27-дюймовый прибор был заменён 37-дюймовым циклотроном в июне 1937 года, который, в свою очередь, был заменён 60-дюймовым циклотроном в мае 1939 года. Он был использован для бомбардировки железа и производства первых радиоактивных изотопов уже в июне.
Поскольку легче было собрать деньги на исследования в области медицины, в частности лечения рака, чем для ядерной физики, Лоуренс предложил использовать циклотрон для медицинских исследований. Работая со своим братом Джоном и Израилем Л. Чайкоффом из отделения физиологии Университета Калифорнии, Лоуренс поддерживал исследования в области использования радиоактивных изотопов в терапевтических целях. Фосфор-32 был легко получен в циклотроне. Джон использовал изотоп в процессе лечения пациентки, страдающей полицитемией (заболеванием крови), а также в тестах на мышах с лейкемией. Он обнаружил, что радиоактивный фосфор концентрируется в быстрорастущих раковых клетках. Это привело к клиническим испытаниям на людях. Результаты терапии в 1948 году показали, что при соблюдении определённых условий возникали ремиссии. Лоуренс также надеялся на медицинское применение нейтронов. Первый пациент с раком получил нейтронную терапию от 60-дюймового циклотрона 20 ноября. Чайкофф провел испытания по использованию радиоактивных изотопов в качестве радиоактивных индикаторов для изучения механизма биохимических реакций.