Макмиллан, Эдвин Маттисон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Эдвин Маттисон Макмиллан
Edwin Mattison McMillan
Макмиллан, Эдвин Маттисон.jpg
Дата рождения:

18 сентября 1907({{padleft:1907|4|0}}-{{padleft:9|2|0}}-{{padleft:18|2|0}})

Место рождения:

Редондо-Бич, Калифорния, США

Дата смерти:

7 сентября 1991({{padleft:1991|4|0}}-{{padleft:9|2|0}}-{{padleft:7|2|0}}) (83 года)

Место смерти:

Эль Серрито, Контра Коста Каунти,Калифорния, США

Страна:

СШАFlag of the United States.svg США

Научная сфера:

физика, химия

Место работы:
Альма-матер:
Научный руководитель:
Известен как:

создатель первого трансуранового элемента, открыватель принципа автофазировки, создатель электронного синхротрона, синхроциклотрона

Награды и премии


Нобелевская премия Нобелевская премия по химии (1951)

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).

Биография[править | править вики-текст]

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.

Научные исследования[править | править вики-текст]

Ранние довоенные исследования[править | править вики-текст]

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.

Изучение трансурановых элементов[править | править вики-текст]

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.

Военные годы[править | править вики-текст]

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].

Физика ускорителей[править | править вики-текст]

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.

Руководство лабораторией в Беркли[править | править вики-текст]

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.

Другая деятельность[править | править вики-текст]

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].

Семья, увлечения[править | править вики-текст]

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]

Почести и Награды[править | править вики-текст]

1951Нобелевская 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.
1990Национальная научная медаль США

Публикации[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. McMillan, Edwin M.. Deflection of a beam of HCL molecules in a non-homogeneous electric field, Phys.Rev., стр. 905.
  2. McMillan, Edwin M.. The Isotopic Constitution of Lithium in the Sun, Phys.Rev., стр. 240.
  3. McMillan, Edwin M.. The Production of X-Radiation by Very Fast Electrons, Phys.Rev., стр. 801.
  4. McMillan, Edwin M.. Radioactive Recolis from Uranium Activated by Neutrons, Phys.Rev., стр. 510.
  5. Abelson, P.H.. Radioactive element 93, Phys.Rev., стр. 1185.
  6. Wahl, A.C.. Radioactive Element 94 from Deuterons on Uranium, Phys.Rev., стр. 366.
  7. 1 2 3 4 Panofsky W. K. H. A Biographical Memoir. — NAS, 1996.
  8. McMillan, Edwin M.. The Synchrotron – A Proposed High Energy Particle Accelerator, Phys.Rev., стр. 143.
  9. McMillan, Edwin M.. The Origin of the Synchrotron, Phys.Rev., стр. 534.
  10. White, R.S.. Production of Mesons by X-Rays, Phys.Rev., стр. 579.
  11. McMillan, Edwin M.. The Relation between Phase Stability and First-Order Focusing in Linear Accelerators, Phys.Rev., стр. 493.

Ссылки[править | править вики-текст]