19-09-2023
Эдвин Маттисон Макмиллан | |
Edwin Mattison McMillan | |
Дата рождения: | |
---|---|
Место рождения: |
Редондо-Бич, Калифорния, США |
Дата смерти: |
7 сентября 1991 (83 года) |
Место смерти: |
Эль Серрито, Контра Коста Каунти,Калифорния, США |
Страна: | |
Научная сфера: | |
Место работы: | |
Альма-матер: | |
Научный руководитель: | |
Известен как: |
создатель первого трансуранового элемента, открыватель принципа автофазировки, создатель электронного синхротрона, синхроциклотрона |
Награды и премии | |
Эдвин Маттисон Макмиллан на Викискладе |
Эдвин Маттисон Макмиллан (англ. Edwin Mattison McMillan; 18 сентября 1907, Редондо-Бич, Калифорния, США — 7 сентября 1991) —американский физик и химик, широко известный учёный своего времени, работал в разных областях знания. Внес значительный вклад в химию трансурановых элементов. Открыл принцип автофазировки. Создал первый электронный синхротрон, синхроциклотрон. Руководил Национальной лабораторией имени Лоуренса в 1958-1973. Нобелевская премия по химии (1951) (вместе с Г.Сиборгом).
Эдвин М. Макмиллан родился 18 сентября 1907 года в Редондо Бич (Калифорния) в семье шотландцев Эдвина Х. Макмиллана и Анны Марии Маттисон. С полуторагодовалого возраста он воспитывался в Пасадене, Калифорния. Его отец был физиком, и, будучи ребенком, Макмиллан посещал некоторые лекции в Калифорнийском Технологическом Институте. После окончания школы Макмиллан поступил туда, и его успехи позволили по окончании получить сразу степени бакалавра и магистра. Докторскую диссертацию (Ph.D.) выполнил в Принстонском университете под руководством Э.Кондона, защитил в 1932 году. Он также выиграл ценную стипендию Национального научно-исследовательского совета. В 1934 г. Макмиллан переехал в Беркли по приглашению Э.О. Лоуренса, где в это время была основана новая Радиационная лаборатория. В годы Второй мировой войны он, как и многие ученые, был привлечен к работам по военной тематике, работал в Военно-морской радиолокаторной и акустической лаборатории в Сан-Диего в 1941 году, и с 1942 перебрался в Лос-Аламос, в лабораторию Дж. Роберта Оппенгеймера. В середине 1945 вернулся на прежнюю работу – в Беркли. В 1946-1954 годах преподавал на Физическом факультете Калифорнийского Университета в Беркли и руководил 15тью выпускниками до получения ими степени Ph.D.. В 1954-1958 был приглашен на должность заместителя директора Радиационной лаборатории, а затем после смерти Лоуренса в августе 1958 года стал директором Радиационной лаборатории имени Лоуренса (1958-1970) и, после разделения частей лаборатории в Беркли и Ливерморе (1970), возглавил Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли (1970-1973). В конце 1973 года Макмиллан ушел в отставку с официальной должности, однако продолжал заниматься исследованиями до 1984 года. Он умер в возрасте 83 лет 7 сентября 1991 года в Эль Керрито, Контра Коста Каунти, Калифорния, США.
Сразу после защиты докторской диссертации, под руководством профессора Э.У. Кондона, посвященной образованию молекулярного пучка ядер гидрохлорида в негомогенном электрическом поле[1] , Макмиллан опубликовал статью[2] об изотопном составе лития на солнце на основе спектроскопических наблюдений. Работая со сверхтонкой структурой, обнаруженной в области оптической спектроскопии, он опубликовал статьи по ядерному магнитному моменту тантала и по сверхтонким структурам в спектре солнца. Но Макмиллан постепенно увлекся работой с циклотроном Лоуренса, который к началу 1934 мог испускать пучок дейтронов с энергией 2,3 МэВ. Макмиллан в сотрудничестве с М. Стэнли Ливингстоном использовал пучок дейтронов для облучения азота с целью получения 15O, испускающего позитроны. За этой работой последовали фундаментальные исследования по поглощению гамма-лучей, которые открыли процесс образования электромагнитных пар в кулоновском поле ядра. В 1935 году вместе с Лоуренсом и Р.Л. Торнтоном Макмиллан изучал радиоактивность, испускаемую разнообразными мишенями при воздействии на них пучка дейтронов. При энергиях дейтронов ниже 2 МэВ активность быстро увеличивается с энергией, как и ожидалось из квантово-механического проникновения сквозь кулоновский барьер, что впервые было использовано Георгием Гамовым для объяснения времени жизни альфа-радиоактивных ядер. Вслед за этой работой Макмиллан изучал свойства 10Be, его чрезвычайно долгий для легкого элемента период полураспада (приблизительно 2,5 миллиона лет). Параллельно Макмиллан провел несколько дополнительных экспериментов в области ядерной химией. В это же самое время он написал увлекательную статью[3] о получении рентгеновских лучей с помощью ускорения очень быстрых электронов. Макмиллан написал многочисленные статьи на тему циклотрона, в частности про его свойства фокусировки луча, вывод пучка и вакуумметры. В 1937-1938 годах он работал с Гансом Бете и М.И. Роуз над проблемой предела энергий в циклотроне с написанием совместной статьи в середине 1938 года.
Открытие деления урана Ганом и Штрассманом в 1939 году инициировало огромное внимание к этим вопросам во всем мире. В Беркли Макмиллан впервые провел простой эксперимент для измерения энергетического диапазона продуктов деления, подвергая тонкий слой оксида урана в алюминиевом сэндвиче воздействию нейтронов, полученных из дейтронов с энергиями 8 МэВ, поражающих бериллиевую мишень в 37 дюймовом циклотроне. Он также использовал папиросную бумагу вместо алюминиевой фольги в другом сэндвиче и следил за радиоактивностью на различных типах бумаги после бомбардировки, обнаружив одну и ту же временную зависимость. Вдобавок к осколочной активности, был еще один компонент с периодом полураспада 22 минуты и другой с периодом полураспада около 2 дней. Макмиллан допустил, что компонента активности с периодом полураспада в 22 минуты относится к 239U, ранее идентифицированного Ганом и его коллегами как продукт резонансного захвата нейтрона в уране[4]. Двухдневная, ранее не известная, радиоактивность заинтриговала Макмиллана. Соответственно, он бомбардировал тонкие слои ураната аммония, осажденные на бакелитовую подложку и покрытые целлофаном для ловли радиоактивных продуктов деления. На больших промежутках времени 2,3-дневная радиоактивность была доминирующей; на коротких – преобладал изотоп 239U с 23-минутным периодом полураспада. С учетом того, что вещество с новой радиоактивностью было физически отделено, стало возможным начать изучение его химических свойств. Предположительно, это должен был быть новый элемент рядом с ураном, и как оказалось, обладающий химическими свойствами, близкими к свойствам рения. Вследствие этого Макмиллан начал сотрудничество с Эмилио Сегре, который был знаком с химией рения благодаря открытию его гомолога – технеция в 1937 году. Сегре обнаружил, что свойства 2,3-дневной радиоактивности похожи на редкоземельный элемент, а не на рений. В начале 1940 года Макмиллан убедился, что неизвестная 2,3-дневная радиоактивность не может быть просто результатом распада продукта деления. Он провел серию экспериментов с новым 60-дюймовым циклотроном и его дейтронами с энергиями 16 МэВ. Проведенные эксперименты подтвердили, что бета-распад 239U образует атомы нового элемента с Z=93! Макмиллан химически обнаружил, что 2,3-дневная активность обладает некоторыми, но не всеми, характеристиками редкоземельного элемента.
В мае 1940, когда Макмиллан начал сотрудничество с Филлипом Х. Абельсоном, который безуспешно пытался (независимо от Макмиллана) отделить 2,3-дневную радиоактивность на начальной стадии с помощью химии редкоземельных элементов. Ключом к успешным химическим исследованиям, как выяснил Абельсон, являлся контроль за состоянием окисления материала. В восстановленном состоянии вещество с данной активностью соосаждалось с фторидами редкоземельных элементов; а в окисленном состоянии – нет. Таким образом, Абельсон и Макмиллан смогли использовать «окислительно-восстановительный цикл» для создания серий осаждения элемента с 2,3-дневной радиоактивностью из раствора уранила и установить его образование из 23-минутного 239U, таким образом, подтвердив, что это изотоп 93-го элемента. Они изучали альфа-активность, связанную с распадом продукта 2,3-дневного изотопа (изотопа 94-го элемента) и отметили, что он должен быть долгоживущим. Работу предоставили на рассмотрение в Physical Review 27 мая 1940[5]. Техника окислительно-восстановительного цикла стала базой для всех исследований в трансурановой химии.
Макмиллан вернулся к исследованиям альфа-активности дочернего 239Np. С надеждой получения другого изотопа нептуния и также продукта его распада Макмиллан бомбардировал мишень урана прямо 16 МэВ дейтронами. Он пытался отделить вещество с альфа-активностью химически, исключая протактиний, уран и нептуний как примеси, при этом показывая, что оно ведет себя сходно с торием и 4-х валентным ураном.
В ноябре 1940 года Гленн Т. Сиборг вместе с коллегой Дж.В. Кеннеди и выпускником А.К. Валем улучшили окислительно-восстановительную методику для изолирования нептуния и продолжили работу над элементами 93 и 94 в отсутствие Макмиллана, который покинул Беркли для работ по военным заказам в МТИ.
Как последователи Макмиллана, в конце февраля 1941 Сиборг, Кеннеди и Валь провели комплексное открытие 92-летнего изотопа 94 элемента (238Pu). Короткая статья о совместной работе с Макмилланом была представлена в Physical Review 28 января 1941 года, но была опубликована только в 1946 году[6]. За открытие нептуния (совместно с Абельсоном) и плутония (с Кеннеди, Сиборгом и Валем) Макмиллан разделил с Гленном Сиборгом Нобелевскую Премию по химии в 1951 году.
Первым заданием Макмиллана в ноябре 1940 была работа над бортовой самолётной РЛС СВЧ-диапазона во вновь организованной лаборатории излучений в МТИ. Работая в Военно-морской радиолокаторной и акустической лаборатории США в Сан-Диего, он изобрел и развил ретранслятор для подводных отзвуков, что в значительной степени расширило дальность обнаружения подводных военных устройств. Работа Макмиллана под руководством Дж. Роберта Оппенгеймера по ядерному оружию началась с выбора строительной площадки в Лос-Аламосе. Затем он вел развитие оружия ружейного типа, устройства, в котором частицы 235U взрывались цепным образом с помощью ружья, составляя критический агрегат. Работа Макмиллана продолжалась до тех пор, пока не установили, что оружие будет работать. Он не участвовал в фактическом «вооружении». Боезаряд для Хиросимы был основан на его результатах без проведения ядерного теста[7].
К середине 1945 года многие ученые в Лос-Аламосе, включая Макмиллана, собирались вернуться домой. Перед началом войны Лоуренс начал строить огромный классический циклотрон. Он был полюсной, с диаметром 184 дюйма и зазором магнита в 5 футов. Макмиллан спроектировал несколько источников энергии для такой машины. Но ему не нравилась идея завершения 184-дюймового циклотрона. После рассмотрения этой проблемы у Макмиллана в июне 1945 появилась идея принципа автофазировки, которая сразу после изобретения сделала циклотрон устаревшим. Макмиллан признал, что когда частицы ускоряются в радиочастотном поле не на пике радиочастотного диапазона, а на склоне кривой сигнала частицы могут быть стабильно заблокированы в некоторой фазе. Идея оказалась универсальной и была принята ко многим типам ускорителей, включая циклические ускорители тяжелых частиц и электронов и линейные ускорители тяжелых частиц. Макмиллан выразил эти факты в виде дифференциальных уравнений, описывающих стабильный «пучок» частиц, колеблющихся около синхронной фазы внутри ямы с частотой определяемой параметрами ускорителя.
Макмиллан полностью рассмотрел широкий спектр применения этого принципа. Он опубликовал[8] свое открытие в Physical Review в сентябре 1945. После публикации Макмиллан обнаружил, что русский физик Владимир И. Векслер достиг этой же идеи и уже опубликовал это ранее в российском журнале, который не достиг США во время войны. Макмиллан признал[9] первенство во времени открытия Векслера. Обе группы согласились, что их действия были независимыми, и идея принципа автофазировки неминуемо всплыла бы. Ученые разделили премию «Атом для мира» за открытие принципа автофазировки в 1963 году.
Принцип автофазировки произвел коренной перелом в проектировании и строительстве ускорителей по всему миру. Это привело к предложениям новых ускорителей во Франции и в новой Европейской лаборатории в ЦЕРНе, в Соединенном Королевстве и в Австралии, и это также привело к решительным предложениям в России и США.
Исходные планы по «классическому» 184-дюймовому циклотрону были отменены. Магнит был преобразован для производства большего магнитного поля с меньшим зазором. Это превращение сделало его «синхроциклотроном». Модель была сконструирована в рекордное время в маленьком 37-дюймовом циклотроне в кампусе Беркли. Успех этой модели привел к полномасштабному разговору о постройке 184-дюймового аппарата в 1948 году. Впечатляющая серия открытий была проведена на таком ускорителе, включая многие важные эксперименты на первых искусственных пи-мезонах. Макмиллан участвовал в разработке пучка нейтронов, образованного высокоэнергетическими дейтронами на внутренних мишенях, и был консультативным участником в бесчисленных экспериментах. Однако его интерес сместился к другому применению принципа автофазировки ¬ 300-МэВ электронному синхротрону.
До изобретения принципа автофазировки максимальная энергия, полученная электронным ускорителем, достигалась при помощи бетатрона с пределом энергии – около 100 МэВ – ограниченной за счет испускания электронами электромагнитного излучения. В ускорителе Макмиллана электроны ограничены кольцевой камерой и ускоряются в манере традиционного бетатрона до 2 МэВ. Последующий выигрыш в энергии за счет принципа автофазировки был получен с помощью электрического поля электромагнитной ямы, поскольку увеличивалось ведущее магнитное поле. Ускоритель Макмиллана имел в радиусе 1 метр и достигал энергии 300 МэВ. Макмиллан лично руководил строительством всех фаз этого новаторского аппарата.
Работа была выполнена, и ускоритель, как 184-дюймовый циклотрон, привел к важным новым открытиям. Макмиллан лично участвовал в первых экспериментах образования пионов из фотонов[10]. Были проведены и многие другие эксперименты, включая демонстрацию существования нейтрального пиона и детальное изучение высокоэнергетических электромагнитных каскадов.
Успех 184-дюймового синхроциклотрона и 300-МэВ электронного синхротрона обеспечил стремительность новой стадии строительства ускорителей в Беркли – Беватрона. Макмиллан содействовал начальным идеям проекта такого ускорителя, включая расчеты, которые показали, что аппарат должен без труда достичь 6 ГэВ для образования протон-антипротонных пар.
Сегодня, по существу, все высокоэнергетические ускорители, для электронов, протонов или тяжелых ионов, не могу работать, если они не автофазированы. Резкий рост высокоэнергетических ускорителей, который привел к увеличению доступной энергии в десятки раз, в основном является последствием изобретения Макмиллана и Векслера.
Вклад Макмиллана в физику ускорителей на этом не ограничивается. Он опубликовал[11] «теорему Макмиллана», математическое доказательство, что в линейном ускорителе радиальная фокусировка и автофазировка взаимно несовместимы, если внешние фокусирующие устройства (магнитные линзы или модуляторы) не подходят к пучку. Он также произвел расчеты для движения спина в электронном линейном ускорителе, и во время творческого визита в ЦЕРН в 1975 году он исследовал загадочную потерю мюонов в накопительном кольце при нарушении работы полюсов магнита [7]. Он в значительной степени содействовал анализу динамики орбиты в лаборатории Беркли.
В 1958 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли было 2000 работников и около 3300 в Ливерморской лаборатории. Часть в Беркли была междисциплинарная с основным упором на физику, бесчисленные ускорители, но также были отделения ядерной химии, биологии и медицины и биоорганической химии. Мощная программа исследований физики элементарных частиц на Бэватроне с 72-дюймовой пузырьковой камерой и множеством детекторов элементарных частиц привлекала физиков со всего мира и сделала лабораторию в Беркли центром физики высоких энергий с конца 1950х до середины 1960х. Продолжалась работа и на 184-дюймовом циклотроне, и на 300 МэВ-ном синхротроне Макмиллана.
Первая половина пребывания Макмиллана в качестве директора была, возможно, наиболее успешным временем у Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, как минимум, в области физики высоких энергий. Последняя часть его срока принесла изменения и в научной работе лаборатории, и в финансовом обеспечении из Вашингтона. Макмиллан сыграл важную роль в создании Национальной лаборатории ускорителей имени Энрико Ферми, будучи членом правления Ассоциации исследовательских Университетов США в годы ее становления.
Макмиллан обеспечивал научное и административное руководство лаборатории в сложные времена с уменьшающимся финансированием в области физики частиц и в период, когда Ливерморская часть лаборатории начала затмевать Беркли. Поддержание сильной и разноплановой исследовательской программы по физики и другим областям при ограниченных ресурсах было сложно. Ему удалось поддерживать сильную междисциплинарную лабораторию, расширявшуюся в новые области, такие как энергосбережение и окружающая среда.
В поздние годы радиационная лаборатория подвергалась внутренним и внешним противоречиям: внутренние – когда было недостаточное количество средств на альтернативные проекты, менее плотно соприкасающиеся со специализацией лаборатории; внешние - когда партнерство между лабораторией и Управлением энергетических исследований и разработок и конгрессом США начало разрушаться. Более того, ситуация во Вьетнаме усиливала напряженность, в особенности на территории университета.
Примером ясного понимания ситуации Макмилланом явилось решение отделить Ливермор от Беркли. Смятение в стране в основном из-за Вьетнамской войны, антивоенные настроения и очевидные вопросы безопасности требовали разделения. Макмиллан рекомендовал разделение и поэтому становился директором меньшей Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Финансирование изменилось, но не из-за разделения и не в худшую сторону. Дальнейшие глубинные изменения в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, где физика частиц играла постоянно снижающуюся роль, происходили при последующих директорах.
Макмиллан работал также в Главной Экспертной Комиссии в Комиссии по атомной энергии с 1954-1958 и участвовал в качестве члена групп научной политики и программных консультативных комитетах нескольких лабораторий. В 1959 году Президент Эйзенхауэр объявил свое решение о постройке Центра линейных ускорителей в Стэнфорде, ссылаясь на слова Эда Макмиллана. Во многих сообщениях Эд Макмиллан назван первооткрывателем атомной бомбы. При этом наряду с тем, что само открытие плутония и его последующая работа в Лос-Аламосе были огромными вкладами в программу ядерного оружия, после войны он изменил собственное мнение на эту проблему [7].
В личной жизни Макмиллан был порядочным семьянином, и его жена Эльси и трое их детей (Энн Брадфорд Чайкин, Дэвид Маттисон Макмиллан и Стефен Валкер Макмиллан) поддерживала его во всем, что он делал. Ему нравились прогулки пешком и исследовательские путешествия. Его особую симпатию вызывал пустынный регион Анза Боггеро, где он собирал скальные породы и минеральные включения, которые были повсюду в его офисе, дома и в саду. Он интересовался растениями и выращивал орхидеи и насекомоядную мухоловку. [7]
1951 – Нобелевская премия с Гленном Сиборгом за открытия трансурановых элементов
1957 – премия «Атом для мира» с Владимиром Иосифовичем Векслером за открытие принципа автофазировки.
1947 – избран членом Национальной Академии Наук.
1990 – Национальная научная медаль США
|
|
---|---|
Эдвин Макмиллан / Гленн Сиборг (1951) • Арчер Мартин / Ричард Синг (1952) • Герман Штаудингер (1953) • Лайнус Полинг (1954) • Винсент дю Виньо (1955) • Сирил Хиншелвуд / Николай Семёнов (1956) • Александер Тодд (1957) • Фредерик Сенгер (1958) • Ярослав Гейровский (1959) • Уиллард Либби (1960) • Мелвин Калвин (1961) • Макс Перуц / Джон Кендрю (1962) • Карл Циглер / Джулио Натта (1963) • Дороти Ходжкин (1964) • Роберт Вудворд (1965) • Роберт Малликен (1966) • Манфред Эйген / Рональд Норриш / Джордж Портер (1967) • Ларс Онзагер (1968) • Дерек Бартон / Одд Хассель (1969) • Луис Лелуар (1970) • Герхард Херцберг (1971) • Кристиан Анфинсен / Станфорд Мур / Уильям Стайн (1972) • Эрнст Фишер / Джефри Уилкинсон (1973) • Пол Флори (1974) • Джон Корнфорт / Владимир Прелог (1975) |
|
Полный список | 1901—1925 | 1926—1950 | 1951—1975 | 1976—2000 | с 2001 |
Макмиллан, Эдвин Маттисон.