giugno 1931: Lawrence e il primo ciclotrone
Sopra la foto sono Lawrence e Livingston intorno al 1933, insieme a una foto del ciclotrone da tavolo.
Il 1920 ha segnato la transizione degli Stati Uniti ad una moderna società basata sulla tecnologia, ed è stato anche un periodo di successo individuale epocale. Nel mondo della scienza, un professore di fisica di 27 anni a Berkeley, in California, ha iniziato il lavoro che avrebbe lanciato un’era moderna di laboratori nazionali multidisciplinari.
Ernest Orlando Lawrence è nato nell’agosto del 1901 in una piccola città nella prateria del South Dakota da genitori di origini norvegesi. Da adolescente ha armeggiato con le radio, entrando St. Olaf College in Minnesota a 16. Dopo un anno, si trasferì all’Università del South Dakota, dove un professore di ingegneria elettrica lo convinse che il suo interesse per la radio sarebbe stato ben diretto verso una carriera in fisica piuttosto che in medicina. Dopo la laurea con lode nel 1922, ha proseguito gli studi avanzati presso l’Università del Minnesota con W. F. G. Swann, che Lawrence ha seguito all’Università di Chicago e poi a Yale, dove ha completato il suo dottorato di ricerca nel 1924 con una tesi sull’effetto fotoelettrico. Lawrence è rimasto a Yale come borsista post-dottorato, continuando la sua ricerca sulla fotoelettricità e ha iniziato a lavorare su come gli atomi di un gas colpito dagli elettroni sono ionizzati.
Nel 1928, Lawrence si unì alla facoltà dell’Università della California, Berkeley, con una posizione che includeva collegamenti con il Dipartimento di chimica dell’UCB. Questo accesso a scienziati e studenti di altre discipline è stato fondamentale per il successo di Lawrence come ricercatore e ha stabilito il modello per il laboratorio unico che ha successivamente creato.
Ispirato da un articolo dell’ingegnere norvegese Rolf Wideroe, Lawrence inventò un unico acceleratore di particelle circolare che divenne noto come ciclotrone. Il concetto di Wideroe si basava sull’utilizzo dello stesso potenziale elettrico due volte, raddoppiando l’energia passando da potenziale positivo a potenziale negativo per spingere gli ioni e quindi tirarli. Lawrence giudicò lo schema lineare di Wideroe poco pratico per le particelle atomiche leggere, poiché richiedeva un tubo a vuoto lungo diversi metri. Ma lo ha ispirato a pensare a come si potrebbe usare lo stesso potenziale più volte invece di una sola volta. Concepì di usare un campo magnetico per piegare le particelle cariche in traiettorie circolari e quindi passarle attraverso la stessa regione di accelerazione più e più volte.
L’idea richiedeva una combinazione di tecniche sofisticate: una camera ad alto vuoto con campi elettrici variabili a frequenze radio e con alcuni mezzi per mantenere le particelle in un unico piano orizzontale. Il primo di questi dispositivi era un intruglio a forma di torta di gas, ceralacca e bronzo che incorporava anche una sedia da cucina e un albero di vestiti di filo per il funzionamento. Questo prototipo ha dimostrato che il concetto ha funzionato.
Completata nell’estate del 1931, la camera di accelerazione del primo ciclotrone misurava cinque pollici di diametro e potenziava gli ioni idrogeno ad un’energia di 80.000 elettronvolt. I suoi assistenti hanno successivamente costruito il ciclotrone da 11 pollici, che ha rotto la barriera di un milione di elettronvolt (MeV), ma Lawrence stava già sognando di costruire un ciclotrone con una camera di accelerazione di 27 pollici di diametro e in grado di raggiungere energie di quasi 5 MeV. Avendo bisogno di più spazio di laboratorio, Lawrence procurò all’università un edificio vuoto adiacente al dipartimento di fisica nell’agosto del 1931, che ribattezzò Radiation Laboratory, o “Rad Lab”.”
La camera di accelerazione da 27 pollici del primo ciclotrone del laboratorio Rad fu presto sostituita con una camera da 37 pollici con una capacità di accelerazione di 8 MeV per i deuteroni e 16 MeV per le particelle alfa. Nel 1936 la macchina era stata utilizzata per creare radioisotopi e il primo elemento artificiale, il tecnezio. In questo periodo, Lawrence invitò suo fratello, John, un medico, a unirsi al laboratorio ed esplorare l’uso dei radioisotopi nella biologia e nella ricerca medica, culminando nella costruzione del Crocker Lab, con una camera di accelerazione che misura 60 pollici di diametro. Ha iniziato a funzionare nel 1939. Nello stesso anno, Lawrence ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica in riconoscimento del suo dispositivo rivoluzionario.
Il prossimo ciclotrone di Lawrence presentava un magnete del peso di 4.000 tonnellate e una camera di accelerazione di 184 pollici di diametro, in grado di accelerare le particelle atomiche a energie superiori a 100 MeV. Per ospitare la macchina e le strutture sperimentali necessarie per accompagnarla, fu costruito un sito permanente per il laboratorio Rad sulla vicina Charter Hill, completato nel 1946.
Lo sviluppo del ciclotrone di Lawrence ha contribuito a cambiare la nostra comprensione della natura, dalla struttura microscopica della materia al metabolismo umano, dal processo di fotosintesi alla creazione di nuovi elementi chimici, incluso il numero 103 (lawrencium). Lawrence ha anche creato il modello del laboratorio big-science, due dei quali portano il suo nome: il Lawrence Berkeley National Laboratory e Lawrence Livermore National Laboratory. I laboratori di Lawrence hanno spinto l’approccio interdisciplinare in nuovi campi fruttuosi come la ricerca ambientale, le fonti energetiche alternative, l’astrofisica e la biologia molecolare. Lawrence morì il 27 agosto 1958, di colite cronica all’età di 57 anni.
Adattato in parte da una mostra online dell’American Institute of Physics History Center, ” The Legacy of E. O. Lawrence.”Vedi http://www.aip.org/history/lawrence/ per la mostra completa.
