ארנסט לורנס
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
ארנסט אורלנדו לורנס (Ernest Orlando Lawrence) (8 באוגוסט 1901 - 27 באוגוסט 1958) - אחד מחשובי הפיזיקאים האמריקאים. נודע בזכות המצאת הציקלוטרון, שהיה הסוג החשוב ביותר של מאיץ חלקיקים באמצע המאה העשרים, והשימוש בו במסגרת הפיזיקה הגרעינית. על כך הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1939.
לורנס היה מחלוצי גישת ה"מדע הגדול" של פרויקטים הדורשים משאבים רבים וצוותים גדולים ומגוונים, תחילה במעבדה שהקים (הנקראת היום על שמו - המעבדה הלאומית לורנס ברקלי) באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, ואחר כך במסגרת פרויקט מנהטן בו היה לו תפקיד מרכזי, בפרט בתחום של העשרת האורניום.
תוכן עניינים |
[עריכה] תחילת דרכו
לורנס נולד בעיירה קנטון שבדרום דקוטה, למשפחה מוצא נורבגי. בנעוריו הוא גילה עניין בהרכבת מכשירי רדיו. הוא החל את לימודיו הגבוהים בגיל 16, בקולג' סנט אולף במינסוטה - קולג' לותרני קטן שם החל ללמוד במטרה להיות רופא. לאחר שנה עבר לאוניברסיטת דרום דקוטה שם הוא שוכנע על ידי אחד הפרופסורים שהתעניינותו במכשירי רדיו צריכה להוביל אותו ללימודי פיזיקה. הוא סיים את התואר הראשון ב-1922, והחל ללמוד אצל ו. פ. ג. סוון (W.F.G. Swann) באוניברסיטת מינסוטה. לורנס עבר בעקבות מנחהו לשיקגו, ולבסוף לאוניברסיטת ייל, שם הוא קיבל ב-1925 את הדוקטורט בעקבות עבודה ניסויית שעסקה באפקט הפוטואלקטרי. לורנס נשאר בייל במסגרת פוסט דוקטורט ונעשה מרצה מן החוץ ב-1927.
ב-1928 עבר לורנס לאוניברסיטת קליפורניה בברקלי כמרצה מן המניין ושנתיים לאחר מכן הפך לפרופסור הצעיר ביותר בתולדות האוניברסיטה. באותה תקופה הצטרף לסגל האוניברסיטה גם הפיזיקאי התאורטי רוברט אופנהיימר. השניים התיידדו, ובהמשך אף שתפו פעולה במחקרם.
הן בייל והן בברקלי ערך לורנס ניסויים בתחומים פיזיקליים שונים, כמו מדידת אנרגיית היינון של כספית, מדידת פרקי זמן בסדר גודל של ננו-שנייה (מיליארדית השניה) ושימוש בכך לחקירת השלבים הראשונים בהתפרקות חשמלית, ושיטות חדשות למדידת היחס e/m בין מטען למסה של האלקטרון.
לורנס הרבה לשהות באוניברסיטאות במזרח. באחד מהביקורים האלה הוא פגש את מרי (מולי) בלאמר, בתו של פרופסור לרפואה בייל. הם נישאו ב-1932, ונולדו להם 6 ילדים.
[עריכה] המצאת הציקלוטרון
לורנס התפרסם בעקבות המצאת הציקלוטרון, שהיה אחד ממאיצי החלקיקים הראשונים, היווה פריצת דרך גדולה בתחום, והיה הסוג החשוב ביותר של מאיץ חלקיקים באמצע המאה העשרים.
עידן הפיזיקה הגרעינית החל ב-1919, כאשר ארנסט רתרפורד הפציץ אטומי חנקן בחלקיקי אלפא שנוצרו בהתפרקות רדיואקטיבית טבעית, וכתוצאה מכך חלקם הפכו לאטומי חמצן. אולם התפתחות התחום נעצרה, משום שהאנרגיה של חלקיקי האלפא הייתה מוגבלת. לכן, ב-1927 קרא רתפורד לבניית מכשירים שיוכלו להאיץ חלקיקים טעונים לאנרגיות הנדרשות - של מאות אלפי ומיליוני אלקטרון וולט.
המתחים שנדרשים כדי להאיץ מטען לאנרגיות כאלה בפעם אחת התגלו כגבוהים מדי על מנת לקיים אותם לאורך זמן. לכן הועלו רעיונות להאיץ חלקיקים על ידי שימוש חוזר באותו מתח כמה פעמים. ב-1929 נתקל לורנס במאמר מדעי בכתב עת בגרמנית שהציע דרך לבצע זאת. לורנס, שלא שלט בגרמנית היטב, לא קרא את המאמר עצמו לעומק, אולם הבין את הרעיון העיקרי מתוך השרטוטים שהיו מצורפים אליו: אפשר לעשות שימוש כפול באותו מתח, על ידי אלקטרודה צינורית, והפיכה מתוזמנת של המתח בינה לבין הסביבה ממתח שימשוך את החלקיקים הטעונים אל תוכה, למתח הפוך שיידחה ממנה את החלקיקים ברגע שהם עברו את אמצעה. שימוש בכמה אלקטרודות כאלה בטור גורם להאצה נוספת בעזרת אותו מתח. אולם כל תוספת לאנרגיה של ההאצה דורשת הוספה של עוד ועוד אלקטרודות צינוריות (שגם צריכות להיות ארוכות יותר), מה שגרם למכשיר להיות לא פרקטי עבור אנרגיות גבוהות במיוחד.
שיטה זו נתנה את השראה ללורנס, למצוא דרך להשתמש שוב ושוב באותו מתח על מנת להאיץ את החלקיקים, וכך לקבל בכל מעבר של החלקיק במתח תוספת אנרגיה עד קבלת האנרגיה הדרושה. לורנס הגיע למסקנה שאפשר להשתמש בשדה מגנטי על מנת להחזיר את החלקיקים לאזור ההאצה אחרי כל פעם בה הם יצאו ממנו, ובכך להשתמש פעמים רבות באותו הפרש מתחים.
לורנס חשב על מכשיר שיכיל שני אזורים בהם שדה מגנטי אחיד, וביניהם אזור קטן ובו שדה חשמלי מתחלף שניצב לשדה המגנטי. החלקיקים יואצו באזור של השדה החשמלי עד שהם יגיעו לאזור של השדה המגנטי, שם הם יסתובבו בחצי מעגל בלי לשנות את מהירותם, ויחזרו לאזור של השדה החשמלי בשביל לקבל עוד האצה. חלקיק טעון שנמצא בשדה מגנטי אחיד שניצב לכיוון תנועתו מסתובב במעגל. רדיוס המעגל עולה ביחס ישר למהירות החלקיק, אבל לכן התדירות ומשך זמן הסיבוב אינם תלויים במהירות. הם תלויים רק במטען החלקיק, המסה שלו, ועוצמת השדה המגנטי, שאינם משתנים. לורנס הבין שמכיוון שזמן התנועה באזור של השדה המגנטי קבוע, אפשר לשים באזור החשמלי מתח חילופין בתדירות שמתאימה לתדירות הסיבוב של החלקיקים בשדה המגנטי, ואז המתח תמיד יאיץ את החלקיקים כשהם יעברו בו. בכל שלב כזה רדיוס התנועה של החלקיקים בשדה המגנטי גדל, עד שכשהם מגיעים לאנרגיה מסוימת, הם יוצאים מהמכשיר בקרן חלקיקים.
לורנס, בעזרת סטודנטים שלו ובראשם סטנלי ליוויגנסטון, החל ב-1930 בבניית המודל הראשון של הציקלוטרון, בקוטר של 4.5 אינץ' (כ-12 ס"מ). המודל הופעל לראשונה בהצלחה ב 2 בינואר 1931. בעזרת הפרש מתחים של 1800 וולט, לורנס הצליח להאיץ חלקיקים טעונים למהירויות בהן האנרגיה הקינטית שלהם הייתה 80,000 אלקטרון וולט (כלומר מהירותו של חלקיק דומה שהואץ בהפרש מתחים של 80,000 וולט).
ב-1934, לורנס הוציא פטנט על הציקלוטרון, פטנט אותו הקצה לתאגיד המחקר בארצות הברית (גוף מטעם המדינה שמקצה משאבים למחקר המדעי). לורנס לא רצה להוציא פטנט, אולם השתכנע לעשות זאת בשל חשש שאחרים יוציאו פטנט על המכשיר שהוא המציא.
אחרי שהניסוי של הפעלת המודל הראשון של הציקלוטרון הצליח, החל לורנס לבנות ציקלוטרונים גדולים יותר, שהאיצו חלקיקים לאנרגיות של גבוהות יותר. ב-1932 לורנס בנה ציקלוטרון בקוטר 27 אינץ', שהאיץ חלקיקים לאנרגיות של מיליוני אלקטרון וולט, ובהמשך העשור נבנו ציקלוטרונים בעלי קוטר של עד 60 אינץ' שהגיעו לאנרגיות של עשרות מילון אלקטרוולט.
הציקלוטרון הפך את לורנס לאישיות מוערכת הן בעולם המדעי, והן מחוצה לו - ב-1937 הופיעה עליו כתבת שער בטיים מגזין [1] [2].
ב-1939 הוענק ללורנס פרס נובל עבור עבודתו על הציקלוטרון וישומיו. טקס קבלת הפרס נערך בקליפורניה עקב המלחמה, ולורנס קיבל את המדליה שלו מהקונסול הכללי של שבדיה בסן פרנסיסקו.
[עריכה] מעבדת הקרינה
בעוד שהמודל הראשון של הציקלוטרון נבנה מחלקי מתכת, חוטי תייל ושעוות חותם לבידוד בעלות של כ-25 דולר, בניית הדגמים המתקדמים יותר הצריכה גידול משמעותי הן במשאבים, הן בכוח האדם והן בגודל הפיזי של המקום, כדי שיוכל להכיל את המגנטים הגדולים שנדרשו. באוגוסט 1931 האוניברסיטה הקצתה ללורנס בניין, והוקמה מעבדת הקרינה שבראשה עמד עד מותו, ושאחריו נקראה על שמו והפכה למעבדה הלאומית לורנס ברקלי. לורנס עסק לא רק בצד המדעי של בניית המכשירים ועריכת הניסויים בהם, אלא גם בגיוס מימון ותרומות, וגיוס כוח אדם, כל זאת בימי השיא של השפל הגדול - דבר שפיתח את כישורי האדמיניסטרציה והשתדלנות שלו.
בשנות ה-30 צוות מעבדת הקרינה כלל עשרות אנשים, מתחומים שונים: פיזיקאים, כימאים, אנשי רפואה וביולוגיה, ומהנדסים. היא היוותה את אחת הדוגמאות הראשונות ל"מדע גדול", בו העבודה לא נעשתה על ידי מדען יחיד, אלא בצוותים גדולים, ובהשקעה של משאבים רבים.
אנשי המעבדה של לורנס השתמשו בציקלוטרונים להפצצת אטומים בחלקיקים אנרגטיים. מהגלאים שמדדו את החלקיקים שהתפזרו מהחומר המופצץ הם למדו על התכונות הבסיסיות של גרעיני האטומים, החלקיקים שמרכיבים אותו והאינטראקציות הגרעיניות. בדגימות המופצצות נוצרו איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים, ואף יסודות מלאכותיים שלראשונה הייתה אפשרות לחקור אותם ואת תכונותיהם באופן ניסויי. בהשפעת אחיו הרופא שאתו הוא שיתף פעולה במחקריו, ועל מנת לגייס תורמים, לורנס הקדיש תשומת לב רבה לייצור רדיואיזוטופים שלהם יהיה שימוש רפואי, הן לצורך רדיותרפיה, והן כסמנים (tracer).
ההתעסקות של לורנס בשיפור מתמיד של הציקלוטרון, באה לעיתים על חשבון העבודה המדעית עצמה. לורנס וציוותו פיספסו כמה תגליות שהיו יכולים לגלות בניסויים שהם ערכו, פשוט בגלל שלא חשבו לבצע את המדידות המתאימות. כך למשל אירן ופרדריק ז'וליו-קירי הקדימו אותם בגילוי של הרדיואקטיביות המלאכותית - בגלל שאנשי המעבדה של לורנס בדקו את הקרינה הנפלטת מהמטרות אותם הפציצו בחלקיקים אנרגטיים רק בזמן הפגיעה, אך לא אחריה. הטעות המביכה ביותר שלורנס ביצע הייתה טענתו שהדאוטריום (חומר בו הוא הרבה להשתמש כ"קליע" שהואץ בציקלוטרון ופגע במטרות העשויות מאטומים כבדי יותר) מתפרק כאשר הוא פוגע בגרעין אחר - טענה שעוררה הדים רבים בשל השלכות מרחיקות לכת על התאוריה של הפיזיקה הגרעינית, אולם לבסוף התבררה כטעות שנבעה מזיהום של המיכשור.
לורנס הרבה לחלוק את המידע שהצוות שלו רכש: מדענים רבים התארחו במעבדה שלו בשביל ללמוד על הציקלוטרון ולבנות ציקלוטרונים באוניברסיטאות אחרות בארצות הברית וברחבי העולם; היסוד המלאכותי הראשון שיוצר, הטכנציום, התגלה באוניברסיטת פלרמו על ידי אמיליו סגרה, מדוגמה של מוליבדן שהופצץ בדאטוריום בקליפורניה, ושלורנס שלח לו.
[עריכה] פיתוח הפצצה הגרעינית
לורנס היה אחת הדמויות המרכזיות בפרויקט פיתוח הפצצה הגרעינית האמריקנית במהלך מלחמת העולם השנייה ("פרויקט מנהטן").
החל מ-1939, כשהתפרסם שאוטו האן גרם לביקוע גרעיני של גרעיני אורניום על ידי פגיעה של נייטרונים, החל לורנס לעסוק במחקר בתחום. אולם בארצות הברית הפרויקט של פיתוח פצצה שתשתמש בעיקרון זה התנהל בעצלתיים, והתעורר רק בעקבות ההתקדמות של מדעני הגרעין בבריטניה, שהסיקו שאורניום 235 יכול לשמש לפיצוץ גרעיני ושהמסה הקריטית שלו היא בת קילוגרמים אחדים, ולא טונות כפי שחשבו קודם. הבריטים ומספר מדענים אמריקנים בראשות לורנס וארתור קומפטון לחצו להאצת תהליך פיתוח הפצצה, דבר שהחל להתממש כאשר האחריות לנושא עברה לידיו של ואנבר בוש, ראש "הוועדה הלאומית למחקר בטחוני".
תרומתו המדעית העיקרית של לורנס הייתה בתחום העשרת האורניום. לורנס היה אחראי לפיתוח שיטת ההפרדה האלקטרומגנטית. השיטה מתבססת על התלות במסה שיש למסלול התנועה של חלקיק טעון בשדה מגנטי. ככל שהמסה גדולה יותר, כך גם רדיוס המסלול המעגלי של החלקיק יהיה גדול יותר. כך אפשר להפריד (לפחות חלקית) בין האיזוטופים השונים של האורניום, ולקבל חומר שעשיר יותר באיזוטופ אורניום 235 שמשתתף בתגובת השרשרת הגרעינית, לעומת האיזוטופ אורניום 238 שמפריע לה. למרות שלא הוא הגה את השיטה, הניסיון הרב של לורנס בשימוש במגנטים גדולים הפך אותו לאיש המתאים ביותר לעמוד בראש פרויקט היישום שלה.
בעזרת המגנטים של הציקלוטרונים הוא פיתח במעבדה בברקלי את הקלוטרון (Calutron - על שם אוניברסיטת קליפורניה), ואחר כך פיקח על בניית הקלוטרונים במפעל הגדול להעשרת האורניום באוק רידג' שבטנסי, ועל תיקון התקלות הרבות שהתגלו בהם, בשל תהליך הבניה המזורז שלהם. למרות ששיטה זו לא הייתה היחידה בה השתמשו באוק רידג' להעשרת האורניום, היא הייתה הראשונה שפעלה בהצלחה, והייתה השיטה העיקרית ששימשה להעשרת האורניום ששימש לפצצה שהוטלה על הירושימה. לאחר המלחמה הצליחו להתגבר על הבעיות שהיו לשיטות ההעשרה האחרות ושיטה זו נזנחה, אולם השימוש בה היה חיוני לעמידה בלוח הזמנים התובעני של פרויקט מנהטן.
גם במסלול השני לייצור החומר הבקיע לפצצה הייתה ללורנס יד - הפלוטוניום, והדרך לייצר אותו מאורניום התגלו במעבדה שלו בברקלי על ידי ארתור מקמילן, גלן סיבורג ושותפיהם למחקר.
מעבדת הקרינה בברקלי הפכה לאחד המרכזים החשובים למחקר בעת המלחמה, והדבר השפיע על אופיה: ממעבדה בה היו עשרות אנשי צוות היא גדלה למעבדה בת למעלה מ-1000 איש. היא גם הפכה ממוסד מדעי טהור, למוסד שכפוף לכללים צבאיים ולסיווג בטחוני. גם לורנס נאלץ להגביל את מנהגו לחלוק מידע עם מדענים עמיתים, אם כי הוא לא תמיד עמד בכך.
מעבר לתרומה הספציפית שלו בתחום העשרת האורניום, לורנס לקח חלק חשוב בניהול הכללי של פרויקט בניית הפצצה. כשהאחריות עליו הועברה לצבא והוא הפך ל"פרויקט מנהטן", לורנס תמך בהקמת מעבדה מיוחדת שתרכז את פיתוח הפצצה עצמה - מעבדה שהוקמה לבסוף בלוס אלמוס. לורנס הציע שבראש המעבדה יעמוד ארתור מקמילן - איש המעבדה שלו בברקלי. אולם ההחלטה הייתה בידי הגנרל לזלי גרובס. גרובס רצה בתחילה שלורנס עצמו יעמוד בראש המעבדה, אבל הוא היה נחוץ בפרויקט העשרת האורניום, ולבסוף גרובס בחר ברוברט אופנהיימר לעמוד בראש המעבדה. למרות שאופנהיימר היה ידידו, לורנס זעם על ההחלטה. הוא לא האמין שאופנהיימר, התיאורטיקאי יוכל לעמדו בראש מעבדה כזו, והוא גם לא בטח בו בשל עמדותיו השמאלניות [3].
כשהושלם פיתוח הפצצות הגרעיניות, לורנס היה חבר בצוות שכלל גם את רוברט אופנהיימר, ארתור קומפטון ואנריקו פרמי, ושהתבקש להמליץ כיצד להשתמש בנשק החדש. בתחילה לורנס תמך ברעיון לבצע הדגמה של פעולת הפצצה בפני נציגים של יפן על מנת לשכנע אותם להיכנע. אולם לבסוף הוא השתכנע להצטרף לדעת שאר חברי הוועדה, שהמליצו ב-16 ביוני 1945 על "שימוש צבאי מיידי" בפצצה [4]. חודש אחר כך, לורנס נכח בניסוי טריניטי שנערך בניו מקסיקו בו לראשונה הופעלה פצצה גרעינית.
[עריכה] אחרי המלחמה
לאחר תום מלחמת העולם, ועם תחילת המלחמה הקרה, המשיך לורנס לשמור על קשרים טובים עם הממסד הבטחוני האמריקאי, כולל הצבא, הוועדה לאנרגיה אטומית (AEC) שהוקמה ב-1946, וחברי קונגרס שעסקו בנושא. בזכות כך הוא השיג תמיכה ממשלתית לפרויקטים החדשים של המעבדה, ביניהם ציקלוטרון של 185 אינץ', סינכרונטון, ומאיץ קווי. בעזרת מאיצים אלה הצליחו מדעני המעבדה יצור בפעם הראשונה באופן מלאכותי מזונים, ולצפות בפעם הראשונה באנטיפרוטון.
לורנס פעל לא רק למען פרויקטים של המעבדה שלו, אלא ניצל את המוניטין והקשרים שלו לטובת פרויקטים ביטחוניים-טכנולוגים אחרים שהוצעו. כך דחף למען הפיתוח של מנועים גרעיניים לצוללות, ופיתוח של נשק רדיולוגי. לרוב הוא פעל לא באופן פומבי, אלא מאחורי הקלעים, דבר שהיה מתאים יותר לאופיו.
כמו רוב מדעני הגרעין, לורנס התנגד בתחילה לרעיון של אדוארד טלר לפיתוח פצצת המימן. אולם אחרי שההסובייטים ערכו את הניסוי הגרעיני הראשון שלהם ב-1949 שינה לורנס את דעתו, והפך לתומך נלהב של פיתוח הפצצה. תרומתו המדעית של לורנס הייתה אמורה להיות בניית מאיצי חלקיקים גדולים שייפיקו נייטרונים בעלי אנרגיה גבוהה שנדרשים לייצור הטריטיום המשמש בפצצת המימן, כמו גם לייצור פלוטוניום. המיקום למאיץ הראשון היה בסיס חיל אוויר בליברמור, כ-50 קילומטר ממזרח לסן פרנסיסקו. התוכנית בוטלה זמן קצר אחרי הפעלת המאיץ הזה, אולם בעידוד של טלר, האתר בליברמור הפך להיות למעבדת המחקר הבטחונית השנייה בחשיבותה (אחרי מעבדת לוס אלמוס), שהייתה בתקופתו של לורנס מסונפת למעבדת הקרינה שלו בברקלי, והיום היא עצמאית וקרויה המעבדה הלאומית לורנס ליברמור.
הגישה הניצית ההולכת וגוברת של לורנס הובילה לקרע ביחסיו עם רוברט אופנהיימר, ששיאו היה נכונותו של לורנס להעיד נגד אופנהיימר בשימוע שנערך ב-1954 על הסרת הסיווג הבטחוני שלו. בסופו של דבר, בגלל אישפוזו של לורנס, הוא לא העיד באופן רשמי בפני הוועדה, אבל דיבר עם צוות התביעה ואמר להם שאסור שלאופנהיימר יהיה "איזשהו קשר לקביעת מדיניות".
בעקבות ניסוי גרעיני שנערך בביקיני ב-1954, ושגרם לפיזור נשורת גרעינית בטווח גדול מהמצופה שכלל אזורים מיושבים, החלה לעלות דרישה ציבורית להפסקת הניסויים הגרעיניים. לורנס התנגד לדרישה, והציע במקום זאת לפתח פצצות "נקיות", שיגרמו לפיזור לש פחות נשורת.
ב-1958 הוא נענה לבקשתו של הנשיא אייזנהאואר להצטרך למשלחת האמריקנית לשיחות שנערכו בז'נווה שבשווייץ בנושא של הפסקת הניסויים הגרעיניים. במהלך הדיונים חלה החמרה במחלת הקוליטיס הכיבית ממנה סבל באופן כרוני. הוא חזר לארצות הברית, ונותח בבית חולים בפאלו אלטו. לורנס לא שב להכרתו אחרי הניתוח, ונפטר כחודש לאחר מכן, ב-27 באוגוסט 1958.
עשרים ושלושה ימים בלבד לאחר מותו, אוניברסיטת קליפורניה החליטה לקרוא על שמו את המעבדות בברקלי ובליבמור. היסוד הכימי מספר 103 שנתגלה ב-1961 במעבדת לורנס בברקלי נקרא "לורנסיום", על שמו.
[עריכה] קישורים חיצוניים
- ארנסט לורנס באתר המכון האמריקני לפיזיקה (AIP)
- Lawrence and his Laboratory: a Historian's View of the Lawrence Years - באתר מעבדת לורנס ברקלי
- ביוגרפיה קצרה של לורנס באתר מעבדת לורנס ליברמור
- ביוגרפיה באתר קרן פרס נובל
