Эдвин Маттисон Макмиллан

Нобелевскую премию по химии 1951 года Эдвин Макмиллан разделил с Гленном Сиборгом — за открытия в области трансурановых элементов. Но сама премия оказалась лишь одной из двух вершин его биографии: спустя двенадцать лет он получил премию «Атом для мира» за принцип автофазировки, идею, которая перестроила проектирование ускорителей во всём мире. Обе работы вышли из одной лаборатории в Беркли, но вели к совершенно разным последствиям — одна к новым элементам, другая к новым машинам для изучения материи.

Первый элемент тяжелее урана

Открытие деления урана Ганом и Штрассманом в 1939 году инициировало огромное внимание к этим вопросам во всём мире, и Макмиллан в Беркли поставил простой эксперимент: тонкий слой оксида урана в алюминиевом сэндвиче облучался нейтронами от дейтронов с энергией 8 МэВ, поражавших бериллиевую мишень в 37-дюймовом циклотроне.

Кроме ожидаемой осколочной активности обнаружился компонент с периодом полураспада около 22 минут и ещё один — около двух дней. Первый Макмиллан отнёс к урану-239, уже известному продукту захвата нейтрона. Второй, не известный ранее, заинтриговал его. Бомбардируя тонкие слои ураната аммония на бакелитовой подложке, покрытые целлофаном для ловли продуктов деления, он увидел, что на коротких промежутках преобладает 23-минутный изотоп, а на длинных — двухдневная активность.

Вещество с новой радиоактивностью удавалось физически отделить, а значит, можно было изучать его химические свойства. Макмиллан предположил, что это новый элемент рядом с ураном, со свойствами, близкими к рению, и начал сотрудничество с Эмилио Сегре, знакомым с химией рения по открытию технеция в 1937 году. Сегре обнаружил, что двухдневная активность ведёт себя скорее как редкоземельный элемент. В начале 1940 года эксперименты на новом 60-дюймовом циклотроне с дейтронами 16 МэВ подтвердили: бета-распад урана-239 образует атомы элемента с Z=93.

В мае 1940 года к работе подключился Филлип Абельсон, независимо пытавшийся разделить ту же активность методами химии редкоземельных элементов. Ключом оказался контроль состояния окисления: в восстановленном состоянии вещество соосаждалось с фторидами редкоземельных элементов, в окисленном — нет. Окислительно-восстановительный цикл позволил выделить изотоп 93-го элемента и подтвердить его образование из 23-минутного урана-239. Работу представили в Physical Review 27 мая 1940 года. Эта техника стала базой для всех дальнейших исследований в трансурановой химии.

Как ускорители перестали упираться в предел

В 1945 году, когда многие учёные в Лос-Аламосе собирались возвращаться домой, Лоуренс уже строил огромный классический циклотрон — полюсной, диаметром 184 дюйма, с зазором магнита в пять футов. Макмиллан проектировал для него источники питания, но сама идея завершения этой машины ему не нравилась. В июне 1945 года он сформулировал принцип автофазировки: если частицы ускоряются в радиочастотном поле не на пике, а на склоне кривой сигнала, они могут стабильно удерживаться в определённой фазе.

Идея оказалась универсальной и применимой к разным типам ускорителей — циклическим для тяжёлых частиц и электронов, линейным для тяжёлых частиц. Макмиллан описал её дифференциальными уравнениями и опубликовал в Physical Review в сентябре 1945 года. После публикации выяснилось, что русский физик Владимир Векслер пришёл к той же идее раньше и уже напечатал её в журнале, не дошедшем до США из-за войны. Макмиллан признал первенство Векслера во времени; обе группы согласились, что действовали независимо и что идея должна была возникнуть неизбежно. В 1963 году они разделили премию «Атом для мира».

Практический эффект был немедленным. Исходные планы 184-дюймового циклотрона отменили, магнит переделали под большее поле и меньший зазор — получился синхроциклотрон. Модель собрали в рекордное время на маленьком 37-дюймовом циклотроне в кампусе Беркли, а в 1948 году запустили полномасштабный аппарат. На нём провели впечатляющую серию открытий, включая важные эксперименты на первых искусственных пи-мезонах. Сам Макмиллан участвовал в разработке пучка нейтронов от высокоэнергетических дейтронов на внутренних мишенях и консультировал множество экспериментов.

Его интерес сместился к 300-МэВ электронному синхротрону. До принципа автофазировки предел энергии электронных ускорителей держался около 100 МэВ из-за излучения, испускаемого электронами. В машине Макмиллана электроны ограничивались кольцевой камерой и ускорялись как в бетатроне до 2 МэВ, а дальнейший выигрыш давало электрическое поле, менявшееся вместе с ведущим магнитным полем. Радиус составлял один метр, энергия достигала 300 МэВ, и Макмиллан лично руководил строительством всех фаз аппарата.

Лаборатория, война и бомба

Военная работа началась для Макмиллана в ноябре 1940 года с бортовой самолётной РЛС СВЧ-диапазона в лаборатории излучений в МТИ. В Военно-морской радиолокаторной и акустической лаборатории в Сан-Диего он изобрёл и развил ретранслятор для подводных отзвуков, значительно расширивший дальность обнаружения подводных военных устройств. С 1942 года он работал в Лос-Аламосе под руководством Дж. Роберта Оппенгеймера, начиная с выбора строительной площадки, а затем вёл развитие оружия ружейного типа, где частицы урана-235 взрывались цепным образом, составляя критический агрегат.

Работа продолжалась до тех пор, пока не установили, что оружие будет работать. В фактическом «вооружении» Макмиллан не участвовал, но боезаряд для Хиросимы был основан на его результатах без проведения ядерного теста. В середине 1945 года он вернулся в Беркли. В сообщениях его называли первооткрывателем атомной бомбы; при том что открытие плутония и работа в Лос-Аламосе были огромным вкладом в программу ядерного оружия, после войны он изменил собственное мнение по этому вопросу.

Директор и его лаборатория

После смерти Лоуренса в августе 1958 года Макмиллан стал директором Радиационной лаборатории имени Лоуренса. К тому моменту в Беркли работало 2000 человек, в Ливерморе — около 3300. Берклийская часть была междисциплинарной с упором на физику и многочисленные ускорители, но включала отделения ядерной химии, биологии и медицины, биоорганической химии. Программа физики элементарных частиц на Беватроне с 72-дюймовой пузырьковой камерой и множеством детекторов привлекала физиков со всего мира и сделала Беркли центром физики высоких энергий с конца 1950-х до середины 1960-х.

В 1954—1958 годах Макмиллан был заместителем директора лаборатории, а до этого, в 1946—1954 годах, преподавал на физическом факультете Калифорнийского университета в Беркли и руководил пятнадцатью выпускниками до получения ими степени Ph.D. В 1970 году лаборатория разделилась на части в Беркли и Ливерморе, и Макмиллан возглавил Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли, оставаясь на этом посту до 1973 года. Он рекомендовал разделение, потому что антивоенные настроения, смятение из-за Вьетнамской войны и вопросы безопасности требовали развести площадки.

Последняя часть его срока принесла изменения и в научной работе, и в финансировании из Вашингтона. Поддержание сильной и разноплановой программы при ограниченных ресурсах было сложной задачей, но лаборатория расширялась в новые области, такие как энергосбережение и окружающая среда. Макмиллан сыграл важную роль в создании Национальной лаборатории ускорителей имени Энрико Ферми, будучи членом правления Ассоциации исследовательских университетов США в годы её становления. С 1954 по 1958 год он работал в Главной экспертной комиссии при Комиссии по атомной энергии, состоял в группах научной политики и консультативных комитетах нескольких лабораторий. В 1959 году президент Эйзенхауэр объявил о решении строить Центр линейных ускорителей в Стэнфорде, ссылаясь на слова Эда Макмиллана.

Дом, пустыня и орхидеи

В конце 1973 года Макмиллан ушёл в отставку с официальной должности, но продолжал заниматься исследованиями до 1984 года. В личной жизни он был семьянином, и жена Эльси с тремя детьми — Энн Брадфорд Чайкин, Дэвидом Маттисоном Макмилланом и Стефеном Валкером Макмилланом — поддерживала его во всём, что он делал.

Ему нравились прогулки пешком и исследовательские путешествия. 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. Умер он в возрасте 83 лет 7 сентября 1991 года в Эль-Серрито, округ Контра-Коста, Калифорния.

Вопросы о Макмиллане

Правда ли, что первый элемент тяжелее урана открыл именно он?

Да, нептуний с атомным номером 93. В мае 1940 года вместе с Филлипом Абельсоном он подтвердил, что бета-распад урана-239 образует атомы нового элемента, и разработал окислительно-восстановительный цикл для его выделения.

Почему за принцип автофазировки он признал первенство Векслера?

Русский физик опубликовал ту же идею раньше, но в журнале, который из-за войны не дошёл до США. Обе группы согласились, что действовали независимо, и в 1963 году разделили премию «Атом для мира».

Что стало с циклотроном, который строили до войны?

Планы классического 184-дюймового циклотрона отменили после появления принципа автофазировки. Магнит переделали под большее поле и меньший зазор, превратив аппарат в синхроциклотрон, запущенный в 1948 году.