Ein auf eine Serviette gemaltes Bild brachte ihm den Nobelpreis ein und machte ihn zum „Vater der Big Science“.

Lawrence erfand und entwickelte das Zyklotron, gründete und erweiterte das Strahlungslabor, was zu zahlreichen wichtigen Entdeckungen führte und wofür er 1939 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Das von ihm geleitete Labor trieb die physikalische Forschung in Richtung dessen, was heute als „Big Science“ bezeichnet wird. Daher ist Lawrence auch als „Vater der Big Science“ bekannt. Während des Zweiten Weltkriegs war Lawrences Team für das Urananreicherungsprojekt verantwortlich und leistete einen entscheidenden Beitrag zur Herstellung der Atombombe. Oppenheimer war der Ansicht, Lawrence sei in vielen Aspekten des Atomenergiebereichs in den Vereinigten Staaten der einflussreichste Wissenschaftler und wichtiger als er selbst.

Geschrieben von | Wang Shanqin

Im Jahr 2012 entdeckte der Large Hadron Collider (LHC), dessen Bau mehr als 13 Milliarden Dollar kostete, das Higgs-Teilchen. Im Jahr 2015 gelang es dem über 1,1 Milliarden Dollar teuren Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Solche Projekte werden als „Big Science“ bezeichnet.

Große wissenschaftliche Projekte erfordern große Instrumente, enorme Geldsummen und eine große Anzahl von Menschen und unterscheiden sich stark von „kleinen wissenschaftlichen“ Projekten, die an einem Labortisch durchgeführt werden können, oder von theoretischer Forschung, für die nur Stift, Papier und ein normaler Computer erforderlich sind. In den letzten Jahrzehnten sind große wissenschaftliche Projekte zum Mainstream der experimentellen Physik und Astronomie geworden.

Bei der Entwicklung hin zur Big Science spielte eine Person eine Schlüsselrolle: Ernest Orlando Lawrence (1901–1958). Lawrence erfand das Zyklotron und entwickelte es energisch weiter, gründete und erweiterte das „Strahlungslabor“ und ist daher als „Vater der Big Science“ bekannt.

Lawrence, 1939. Bildquelle: Nobelstiftung

Als Pionier der Big Science war das von Lawrence geleitete Team während des Zweiten Weltkriegs für das Urananreicherungsprojekt verantwortlich. Seine Position bei der Herstellung der Atombombe war nicht geringer als die von Oppenheimer (J. Robert Oppenheimer, 1904-1967). Oppenheimer glaubte sogar, dass Lawrences damalige Position seiner eigenen überlegen sei.

Dieser Artikel stellt Lawrences Leben, seine Errungenschaften und sein wissenschaftliches Erbe vor.

Frühe akademische Aktivitäten

Lawrence wurde am 8. August 1901 in Canton, einer kleinen Stadt in South Dakota, USA, geboren. Sein Vater, Carl Lawrence (1871–1954), und seine Mutter, Gunda Lawrence (1874–1959), waren beide Lehrer und Nachkommen norwegischer Einwanderer. Lawrence hatte einen jüngeren Bruder, John Lawrence (1904–1991).

Nach seinem Highschool-Abschluss studierte Lawrence ein Jahr am St. Olaf College in Minnesota und wechselte dann an die University of South Dakota, wo er 1922 einen Bachelor-Abschluss in Chemie erhielt. Anschließend verbrachte er ein Jahr an der University of Minnesota, um einen Master-Abschluss in Physik zu erwerben. Sein Forschungsthema war der Bau einer Versuchsanordnung, mit der sich ein Ellipsoid in einem Magnetfeld rotieren lassen würde. Anschließend ging Lawrence an die University of Chicago und wechselte anschließend an die Yale University, um dort über den photoelektrischen Effekt in Kaliumdampf zu promovieren.

Im Jahr 1925 erhielt Lawrence einen Ph.D. in Physik und blieb an der Schule, um seine Forschungen zum photoelektrischen Effekt fortzusetzen. Weil er die Klasse übersprang und Assistenzprofessor wurde, ohne vorher Dozent zu sein, sorgte Lawrence bei einigen seiner Kollegen für Unmut. Im Jahr 1928 stellte ihn die Fakultät für Physik der University of California, Berkeley (UCB) als außerordentlichen Professor ein und Lawrence ging gerne dorthin. Im folgenden Jahr kam Oppenheimer zur UCB und Lawrence wurde bald sein enger Freund.

Im Jahr 1930 wurde Lawrence im Alter von 29 Jahren der jüngste ordentliche Professor der Schule. 1932 heiratete er seine Freundin Mary Blumer (1910–2003). Mary machte ihren Abschluss am Vassar College und absolvierte anschließend ihr Aufbaustudium an der Harvard Medical School. Marys Vater, George Blumer (1872–1962), war von 1910 bis 1920 Dekan der medizinischen Fakultät der Yale University.

1934 bekam das Ehepaar Lawrence sein erstes Kind, John Eric Lawrence (1934–2010). Sie bekamen fünf weitere Kinder: Margaret, Mary, Robert, Barbara und Susan. [1]

Mary und Lawrence mit ihrer Tochter Margaret und ihrem Sohn Eric vor dem Physikgebäude der UCB im Jahr 1939. Bildnachweis: Lawrence Berkeley National Laboratory

Zyklotron- und Strahlungslabor

Eines Abends im April 1929 war Lawrence sehr aufgeregt, als er einen Aufsatz des norwegischen Physikers Rolf Wilderøe (1902–1996) sah. Vidroy konzipierte einen Beschleuniger mit einer geraden Beschleunigungsröhre, der Teilchen mithilfe von Wechselstrom kontinuierlich beschleunigen konnte. Nach Berechnungen erkannte Lawrence, dass ein sehr langes Rohr erforderlich wäre, um geladene Teilchen mit einem geraden Rohr auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen.

Lawrence stellte sich sofort ein kompakteres Gerät vor und zeichnete eine schematische Darstellung davon auf eine Serviette. Ihr Kern sind zwei Hohlräume mit einem Querschnitt in Form des Buchstabens „D“, also die „D-förmige Box“. Unter der Einwirkung des elektrischen Felds startet ein geladenes Teilchen zunächst aus einer D-förmigen Box, gelangt in eine andere D-förmige Box und bewegt sich dann unter der Einwirkung des Magnetfelds einen Halbkreis. Nachdem sich die Richtung des elektrischen Felds geändert hat, wird das Teilchen in die ursprüngliche D-förmige Box beschleunigt, und unter der Einwirkung des Magnetfelds vollführt das Teilchen einen halben Bewegungskreis und gelangt erneut in eine andere D-förmige Box. Dieser Vorgang wird immer wieder wiederholt und Partikel können auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, ohne dass lange Rohre erforderlich sind.

Schematische Darstellung eines Zyklotrons. Dieses Diagramm erscheint in Lawrences Patentanmeldung von 1934. Links ist die „Draufsicht“ und rechts die „Seitenansicht“. Bildnachweis: Ernest O. Lawrence – US-Patent 1.948.384

Lawrence nannte es später ein „Zyklotron“. Die Idee begeisterte Lawrence. Am nächsten Tag hörte ihn ein Familienmitglied eines Kollegen, der an ihm vorbeikam, rufen: „Ich werde berühmt!“ [2] Allerdings ist es praktisch schwierig, einen solchen Beschleuniger zu bauen. Lawrence konnte es nur für eine Weile beiseite legen. Einmal erwähnte er diese Idee gegenüber dem Nobelpreisträger Otto Stern (1888–1969), der zu Besuch war. Dieser war sehr begeistert und bat ihn, ins Labor zu kommen und sofort mit der Arbeit zu beginnen. [2] Lawrence bat dann seinen Doktoranden Niels Edlefsen (1893-1971), ihm beim Bau des von ihm geplanten Zyklotrons zu helfen.

Im April 1930 baute Edfuson eine grobe Modellmaschine. Dies war das erste Zyklotron der Welt. Sein Durchmesser betrug lediglich 4 Zoll (10 cm, bezogen auf den Durchmesser des Magneten, siehe unten), er konnte in einer Hand gehalten werden und kostete insgesamt 25 US-Dollar (entspricht heute 460 US-Dollar). [3]

Nachdem Edfuson im September 1930 die UCB verlassen hatte, bat Lawrence den Doktoranden Milton Livingston (1905-1986), ein größeres Zyklotron zu bauen. Im Januar 1931 baute Livingston ein 11 Zoll (28 cm) großes Zyklotron, das Protonen auf 1,22 MeV beschleunigte, das erste nutzbare Zyklotron. Im Jahr 1932 meldete Lawrence ein Patent für das Zyklotron an.

Bei Lawrences Erfindung des Zyklotrons war auch eine glückliche Fügung dabei. Im gleichen Zeitraum schlug der deutsche Physiker Max Steenbeck (1904–1981) 1927 erstmals die Idee eines Zyklotrons vor; Der ungarische Physiker Leo Szilard (1898–1964) konzipierte 1928 ebenfalls ein Zyklotron, berechnete erstmals die Zyklotronfrequenz (Resonanzbedingung) und meldete 1929 ein Patent dafür an. Er veröffentlichte jedoch weder relevante Forschungsergebnisse noch Patente, noch stellte er ein Zyklotron her oder suchte jemanden, der ihm bei der Herstellung eines Zyklotrons half. Lawrence wurde somit zum Erfinder des Zyklotrons.

Lawrence sah die großen Aussichten des Zyklotrons auf dem Gebiet der Kernphysik voraus. Am 26. August 1931 gründete Lawrence das Strahlungslabor in der Physikabteilung der UCB. Anfang 1932 entwarfen Lawrence und Livingston ein 27 Zoll (69 cm) großes Zyklotron mit einem 80 Tonnen schweren Magneten. Lawrence überredete dann reiche Leute, die er kannte, sein Team beim Bau immer größerer Zyklotrone zu unterstützen.

Fruchtbare Leistungen, gewann den Nobelpreis

1934 entdeckten Irène Joliot-Curie (1897–1956) und ihr Ehemann Jean Joliot-Curie (1900–1958) künstliche Radioaktivität. Lawrence und sein Team verwendeten ein 27-Zoll-Zyklotron, um Protonen zu beschleunigen und Kohlenstoff 13 damit zu bombardieren, um Stickstoff 13 zu erzeugen, ein künstliches radioaktives Isotop von Stickstoff.

Im Juli 1936 wurde das Strahlungslabor zu einer offiziellen Abteilung und Lawrence wurde sein erster Direktor. Im Juni 1937 baute Lawrences Team ein 37 Zoll (94 cm) großes Zyklotron. Im selben Jahr bestätigten der italienische Physiker Emilio Segrè (1905–1989) und seine Kollegen das Element 43, Technetium, in Proben, die ihnen von Lawrence zugesandt wurden. Diese Proben wurden durch Beschuss eines Ziels mit durch ein Zyklotron beschleunigten Partikeln hergestellt.

Im Mai 1939 baute Lawrences Team ein 60 Zoll (152 cm) großes Zyklotron. Im Juni desselben Jahres nutzte Lawrences Team es, um Protonen zu beschleunigen, um Eisen zu bombardieren und eine Menge neuer radioaktiver Isotope zu erhalten.

Aufgrund dieser Leistungen wurde Lawrence im November 1939 der Nobelpreis für Physik verliehen; er war damit der erste Nobelpreisträger der UCB. Er erhielt den Preis „für seine Erfindung und Entwicklung des Zyklotrons und für die damit erzielten Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf künstliche radioaktive Elemente.“ Da Schiffe, die zu dieser Zeit zwischen Europa und den Vereinigten Staaten verkehrten, von nationalsozialistischen deutschen U-Booten angegriffen wurden, reiste er nicht nach Schweden, um die Auszeichnung entgegenzunehmen. Die Preisverleihung fand am 29. Februar 1940 auf dem UCB-Campus statt.

Im Jahr 1938, vor der Fertigstellung des 60 Zoll (1,52 Meter) großen Zyklotrons, machten Wissenschaftler des Strahlungslabors ein Gruppenfoto auf dem Joch des Magneten. Lawrence ist der Vierte von links in der ersten Reihe und Oppenheimer ist derjenige, der seinen Kopf aus der Mitte der oberen Reihe streckt und Pfeife raucht. Bildquelle: Lawrence Berkeley National Laboratory

Der Nobelpreis steigerte das Ansehen von Lawrence und seinem Labor dramatisch, erleichterte ihnen die Beschaffung von Fördermitteln und führte bald zu immer bedeutenderen Ergebnissen. Im Jahr 1940 bombardierten Martin Kamen (1913–2002) und Sam Ruben (1913–1943) vom Radiation Laboratory Graphit mit durch ein Zyklotron beschleunigten Protonen, um Kohlenstoff 14 zu erhalten. Dies war das erste Mal, dass Kohlenstoff 14 von Menschen entdeckt wurde. Im selben Jahr produzierten Dale Corson (1914–2012), Kenneth MacKenzie (1912–2002) und Segrè das Element 85, Astat.

Edwin McMillan (1907–1991) bombardierte Beryllium mit Deuteriumkernen, die von einem 37-Zoll-Zyklotron beschleunigt wurden. Die bei der Reaktion freigesetzten Neutronen wurden zum Beschuss von Uran verwendet und im Produkt konnte schließlich das Element 93 identifiziert werden. Es erhielt bald den Namen Neptunium. Es war das weltweit erste hergestellte „Transuranelement“ (ein Element mit mehr Protonen als Uran). 1941 heiratete MacMillan Elsie Blumer (1913–1997), die Schwester von Lawrences Frau, und wurde der Schwager der Lawrences. 1951 erhielt MacMillan den Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung des Neptuniums.

Ebenfalls im Jahr 1940 begann Lawrence mit dem Bau des 184 Zoll großen Zyklotrons, das über einen 4.500 Tonnen schweren Magneten verfügen sollte und dessen Budget 2,65 Millionen Dollar (heute 58 Millionen Dollar) betrug. Das Labor im Gebäude der Physikabteilung der UCB konnte eine so große Maschine nicht aufnehmen, daher wurde das Strahlungslabor an den Hang des Berkeley Hill verlegt.

McMillan (links) und Lawrence (rechts). Bildquelle: ENERGY.GOV

Die Leistungen des von Lawrence gegründeten und erweiterten Strahlungslabors bei der Schaffung neuer Elemente ermöglichten es den Vereinigten Staaten, auf dem Gebiet der künstlichen Radioaktivität zum fortgeschrittenen Niveau Europas aufzuschließen und sich in die Weltspitze einzureihen. Lawrence gilt daher als einer der herausragendsten wissenschaftlichen Führer der Vereinigten Staaten.

Manhattan-Projekt

Im Dezember 1938 wurde das Phänomen der Uranspaltung entdeckt (siehe „Diese Entdeckung, die das Schicksal der Menschheit veränderte, verkörpert die harte Arbeit vieler Nobelpreisträger“). Nachfolgende Forschungen bestätigten, dass die Spaltung von Uran 235 eine Kettenreaktion auslösen würde, die zur Freisetzung von Kernenergie und zur Herstellung des Kerns einer Atombombe genutzt werden könnte. Diese Entdeckungen öffneten unbeabsichtigt die Tür zum Zeitalter der Kernenergie und der Atomwaffen.

Die Vereinigten Staaten begannen rasch mit der Forschung zur Atombombe und gründeten das Uranium Committee, aus dem später das S-1 Committee hervorging. Lawrence war eines von mehreren Mitgliedern des Komitees und damit einer der Hauptentscheidungsträger im Atombombenprogramm. Zu diesem Zeitpunkt war Oppenheimer noch nicht in das Atombombenprojekt einbezogen.

Mitglieder des S-1-Komitees posieren am 13. September 1942 für ein Gruppenfoto. Von links nach rechts: Harold Urey (1893–1981), Lawrence, James Conant (1893–1978), Lyman Briggs (1874–1963), Eger Murphree (1898–1962) und Arthur Compton (1892–1962). Bildquelle: LBL NEWS Magazine, Bd. 6, Nr. 3, Herbst 1981, S. 32

Im Februar 1941 verwendeten Glenn Seaborg (1912-1999) und seine Mitarbeiter das Zyklotron des Radiation Laboratory, um das erste Isotop des Elements 94 Plutonium herzustellen – Plutonium 239 (Seaborg teilte sich hierfür 1951 den Nobelpreis für Chemie mit MacMillan). Sie entdeckten bald, dass Plutonium 239 spaltbar war und dass seine Spaltungseffizienz höher war als die von Uran 235. Außerdem konnte es zum Bau von Atombomben verwendet werden.

Im August 1942 wurde das Manhattan-Projekt, das der Entwicklung der Atombombe gewidmet war, offiziell gestartet. Die Rohstoffe für den Bau von Atombomben sind Uran 235 und Plutonium 239. Ersteres muss aus natürlichem Uran abgetrennt werden, während Plutonium 239 durch Neutronenbestrahlung (Beschuss) von Uran 238 gewonnen wird. Das von Lawrence geleitete „Radiation Laboratory“ war für die Produktion von angereichertem Uran zuständig, das von Compton geleitete „Metallurgical Laboratory“ für die Produktion von Plutonium.

Im September 1942 wurde Leslie Groves Jr. (1896–1970) zum Direktor des Manhattan-Projekts ernannt. Er wollte, dass Compton, Lawrence oder Urey die Leitung des zentralen Labors übernahmen, das für die Entwicklung und Herstellung der Atombombe verantwortlich war (das spätere Los Alamos-Labor), weil sie alle Nobelpreisträger waren, über umfangreiche Managementerfahrung verfügten und kein Sicherheitsrisiko darstellten. Er war jedoch der Ansicht, dass die Aufgaben dieser drei Personen zu wichtig seien und sie ihre jeweiligen Positionen nicht aufgeben könnten. Daher musste er sich nach anderen Kandidaten umsehen. [4] Schließlich ernannte Groves auf Empfehlung von Compton und anderen Oppenheimer zum Direktor des Labors.

Elektromagnetische Trennung und das Zyklotron der University of California

Nur 0,714 % des natürlichen Urans sind Uran 235 (99,28 % sind Uran 238 und 0,006 % sind Uran 234). Der Prozess zur Gewinnung von angereichertem Uran besteht darin, den größten Teil des Uran 238 abzutrennen. Uran 235 und Uran 238 haben die gleichen chemischen Eigenschaften und können daher nicht mit chemischen Methoden, sondern nur mit physikalischen Methoden getrennt werden. Zu den spezifischen Methoden gehören: elektromagnetische Trennung, Gasdiffusion, thermische Flüssigkeitsdiffusion und Zentrifugaltrennung. Damals waren die letzten beiden Methoden zu ineffizient, die vielversprechendsten waren die elektromagnetische Trennung und die Gasdiffusion.

Das Prinzip der elektromagnetischen Trennung besteht darin, dass die Partikel, nachdem sie in die Vakuumkammer des Massenspektrometers getrieben wurden, durch das Magnetfeld abgelenkt werden. Partikel unterschiedlicher Masse erfahren unterschiedliche Ablenkungsgrade. Nachdem sie in der Vakuumkammer einen halben Kreis durchlaufen haben, gelangen sie in verschiedene Kollektoren. Dies ist das Grundprinzip der Massenspektrometrie.

Am 24. November 1941 entfernten Lawrence und andere den Magneten des 37-Zoll-Zyklotrons und installierten ein Massenspektrometer, das „California University Cyclotron“, abgekürzt Calutron, genannt wurde. Es wird auch mit „elektromagnetischer Isotopentrenner“ übersetzt. Genau genommen gilt dieser Name für alle Isotopentrenner, die elektromagnetische Trennung verwenden, und das „University of California Cyclotron“ ist nur ein Typ davon. Die beiden sind nicht dasselbe. Der Einfachheit halber wird diese Maschine in der folgenden Beschreibung jedoch als „Isotopentrenner“ bezeichnet.

Am 2. Dezember 1941 lief der Beschleuniger der University of California zum ersten Mal. Am 14. Januar 1942 wurden am Beschleuniger der University of California nach neunstündigem Betrieb 18 Mikrogramm Uran 235 mit einer Konzentration von 25 % gewonnen. Um die Effizienz zu verbessern, demontierte Lawrence die Magnete des im Bau befindlichen 184-Zoll-Zyklotrons und baute einen größeren Isotopentrenner (XA), der am 26. Mai 1942 fertiggestellt und betriebsbereit war.

Allerdings sind diese bereits jetzt erschreckend großen Beschleuniger lediglich Prototypen zum Testen der Machbarkeit und Effizienz der elektromagnetischen Trennung. Nach dem erfolgreichen Test schlug Lawrence vor, mehrere größere Isotopentrenner zu bauen, um angereichertes Uran in Chargen zu gewinnen.

Das Prinzip der elektromagnetischen Trennung ist einfach, die Betriebsanforderungen sind jedoch sehr hoch und erfordern Geräte mit hohem Vakuum, hoher Spannung und starkem Magnetfeld. Sein Vorteil liegt in der hohen Machbarkeit. Yuri, der für die Gasdiffusionsmethode zuständige Mitarbeiter, sagte, die Schwierigkeit der elektromagnetischen Trennmethode sei so groß, als würde man mit Boxhandschuhen eine Nadel im Heuhaufen finden. Hans Bethe (1906–2005), ein junger führender Wissenschaftler der Kernphysik, glaubte nicht an die Erfolgsaussichten eines Plans zur Urananreicherung und weigerte sich daher, am Manhattan-Projekt mitzuwirken. Erst als er herausfand, dass man mit Plutonium 239 Atombomben bauen konnte, stimmte er der Initiative zu.

Lawrence war jedoch davon überzeugt, dass mit genügend großen Maschinen in ausreichend kurzer Zeit nutzbares angereichertes Uran angesammelt werden könnte. Groves erinnerte sich später, dass Lawrence zu Beginn fast der Einzige war, der Vertrauen in die elektromagnetische Trennmethode hatte, doch Lawrence bestand darauf, das Projekt voranzutreiben. „Wir hätten das nicht versucht, wenn wir nicht großes Vertrauen in die Fähigkeiten und den Mut von Dr. Lawrence gehabt hätten.“

Am 25. Juni 1942 schlug das für die Regulierung der Uranrohstoffe zuständige S-1-Komitee den Bau einer Anlage zur elektromagnetischen Trennung und einer Gasdiffusionsanlage in Oak Ridge, Tennessee, vor. Für Ersteres war Lawrences Strahlungslabor verantwortlich, für Letzteres Ureys Labor.

Irgendwann im Oktober 1942 besuchte Groves zum ersten Mal das Strahlungslabor in Lawrence. Er war mit den Fortschritten zufrieden und beschloss, Lawrence zu loben, um ihn zu ermutigen. Er sagte: „Also, Herr Lawrence, Sie sollten weiter hart arbeiten. Ihr Ruf hängt von dieser Arbeit ab.“[5]

Alle anderen Anwesenden waren fassungslos, denn niemand hatte es je gewagt, so mit Lawrence zu sprechen. Lawrence wahrte seine gesellschaftlichen Umgangsformen und antwortete nicht sofort. Anschließend lud er Groves zum Mittagessen ein. Im Restaurant sah Lawrence Groves in die Augen und sagte: „General Groves, als Antwort auf das, was Sie mir gerade gesagt haben, kann ich Folgendes sagen: Mein Ruf ist bereits da, und es ist Ihr Ruf, der von dieser Arbeit abhängt.“ [5]

Oak Ridge Y-12-Anlage

Am 18. Februar 1943 begann der Bau der elektromagnetischen Trennanlage mit dem Codenamen „Y-12“. Seine Aufgabe bestand darin, angereichertes Uran durch den Einsatz von immer mehr und größeren Isotopentrennern zu gewinnen. Alle am Bau beteiligten Firmen haben Personal im Strahlenlabor stationiert, um zeitnah mit den dortigen Wissenschaftlern zu kommunizieren. Lawrence ernannte außerdem einen speziellen Verbindungsoffizier, der für die Kommunikation zwischen dem Strahlungslabor und der Y-12-Fabrik verantwortlich sein sollte.

Theoretische Untersuchungen haben ergeben, dass die Uran-235-Konzentration von waffenfähigem Uran über 80 %, vorzugsweise über 90 % liegen muss. Eine einzelne Trennung kann diese Anforderung nicht erfüllen, es sind zwei Trennungen mit einem Primärabscheider und einem Sekundärabscheider erforderlich.

Die erste Charge der Separatoren der ersten Stufe wurde als geschlossener elliptischer Magnetring mit einem Umfang von 37 Metern, einer Breite von 23 Metern und einer Höhe von 4,6 Metern konzipiert, mit 48 Paaren von Rücken an Rücken angeordneten Vakuumkammern, insgesamt also 96. Wegen ihrer Ähnlichkeit mit einer Rennstrecke werden sie „Alpha-Rennstrecken“ genannt. Der Sekundärabscheider ist relativ klein und weist eine geradlinige Konfiguration auf, die als „Beta-Rennstrecke“ bezeichnet wird. Die Konfiguration der zweiten Gruppe von „α-Start- und Landebahnen“ wurde auf eine gerade Linie geändert.

Eine „Alpha-Startbahn“ in der Y-12-Fabrik, etwa 1944 oder 1945.丨Fotoquelle: Leslie R. Groves

Am 1. November 1943 wurde die erste „Alpha-Start- und Landebahn“ fertiggestellt (aufgrund einer Störung wurde sie zur Reparatur abgebaut und wieder in Betrieb genommen). Im Januar 1944 wurde die zweite „Alpha-Startbahn“ in Betrieb genommen. Danach wurden die „β-Start- und Landebahn“ und weitere „α-Start- und Landebahnen“ nacheinander in Betrieb genommen. Aufgrund des Kupfermangels während des Krieges wurden die Spulen für diese Separatoren vollständig aus Silber hergestellt.

Im März 1944 wurden auf der „α-Startbahn“ der Anlage Y-12 die ersten paar hundert Gramm Uran mit einer Konzentration von 13–15 % abgetrennt. Obwohl es keine Waffenqualität erreichte, war es für die damit verbundene experimentelle Forschung sehr wichtig, sodass die Proben nach Los Alamos verschifft wurden. Am 7. Juni 1944 lieferte Y-12 erstmals waffenfähiges Uran mit einem Uran-235-Gehalt von bis zu 89 %.

Sowohl bei der Anlage K-25, die das Gasdiffusionsverfahren nutzte, als auch bei der Anlage S-50, die das Thermodiffusionsverfahren verwendete, begann der Bau relativ spät, und die Anlagen gingen erst im März 1945 in Betrieb. Das in der Anlage S-50 gewonnene niedrig angereicherte Uran wird durch K-25 weiter angereichert und anschließend durch Y-12 auf waffenfähiges Uran gebracht. Im Frühjahr und Sommer 1945 konnte die Fabrik Y-12 30 Kilogramm waffenfähiges angereichertes Uran pro Monat produzieren. Für eine mit der „Gun-Methode“ gezündete Uran-Atombombe (Gun-Type Uranium Bomb) werden mehr als 60 Kilogramm angereichertes Uran benötigt, was der damaligen Produktion von zwei Monaten entspricht.

Bedienfeld und Bediener eines Y-12-Anlagenabscheiders. Diese Operatorinnen, meist Frauen, wurden als „Calutron Girls“ bekannt. Bildquelle: unbekannt (wahrscheinlich Ed Westcott)

Da die Urananreicherung reibungslos verlief, konnten die Wissenschaftler des von Compton geleiteten „Metallurgischen Labors“ getrost mit dem Plutoniumbombenprogramm fortfahren, das mit einem viel größeren Risiko des Scheiterns verbunden war. Groves kommentierte das elektromagnetische Trennverfahren wie folgt: „Es ermöglichte uns, die Uran-235-Proben zu gewinnen, die in den frühen Tagen von Los Alamos und später für die Bombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde, benötigt wurden. Ohne dieses Verfahren hätte sich unsere Arbeit an der Konstruktion der Plutoniumbombe erheblich verzögert.“[4] Groves war davon überzeugt, dass das gesamte Manhattan-Projekt ohne Lawrence nicht erfolgreich hätte durchgeführt werden können. [4]

Am 16. Juli 1945 wurden Lawrence und andere auf dem Testgelände Zeugen der weltweit ersten Atombombenexplosion – des Atomtests „Trinity“, bei dem eine Implosionsbombe aus Plutonium zum Einsatz kam.

Zu diesem Zeitpunkt hatte die Anlage Y-12 etwa 60 Kilogramm angereichertes Uran produziert. Am 24. Juli 1945 wurde das angereicherte Uran nach Los Alamos transportiert und zur ersten Uranbombe in Kanonenbauweise zusammengebaut. Die Uranbombe vom Kanonentyp wird auf jeden Fall erfolgreich sein, es besteht also kein Bedarf für Tests. Die Uranbombe wurde Ende Juli zur Insel Tinian transportiert, wo US-Militärflugzeuge die Atombombe laden und über Japan abwerfen würden.

Aufgrund der führenden Rolle Lawrences im Urananreicherungsprojekt sagte Bruce Reed in The Physics of the Manhattan Project: „Jedes Uranatom der Hiroshima-Bombe ging durch Lawrences Hände.“[6]

Bei einer geheimen Besprechung vor dem Einsatz der Atombombe lehnte Lawrence diesen jedoch ab, da er in seinem Strahlungslabor japanische Kollegen hatte. Stattdessen war es Oppenheimer, der später erklärte, er habe „Blut an seinen Händen“, der bei dem Treffen dem Einsatz der Atombombe zustimmte.

Bis Dezember 1945 hatte das Werk Y-12 etwa 900 kg 95-prozentiges Uran 235 produziert, genug, um mindestens 15 weitere Uranbomben vom Kanonentyp herzustellen. Durch die Implosionsmethode können mehr Uranbomben hergestellt werden. Zu diesem Zeitpunkt war es mit der Gasdiffusionsmethode bereits möglich, waffenfähiges angereichertes Uran eigenständig herzustellen. Da diese Methode bei der Herstellung von angereichertem Uran weitaus effizienter war als die Methode der elektromagnetischen Trennung, wurde die Anlage Y-12 bald geschlossen.

Schon im Frühjahr 1940 schrieb der Optiker Robert Wood (1868–1955) an Lawrence, um ihm zu seinem Nobelpreis zu gratulieren: „Da Sie den Grundstein für die katastrophale Uranexplosion legen, glaube ich, dass der alte Nobel dem zustimmen würde.“

Im Jahr 1954 wurde Oppenheimer während seiner Anhörung von einem Anwalt des Sicherheitsausschusses gefragt: „Herr Doktor, von 1943 bis vor Kurzem waren Sie der einflussreichste Wissenschaftler auf dem Gebiet der Atomenergie in diesem Land, nicht wahr?“ Oppenheimer antwortete: „Ich denke, Lawrence war in vielerlei Hinsicht wahrscheinlich einflussreicher.“

Der Vater der Big Science

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs widmete sich Lawrences Strahlungslabor wieder stärker der wissenschaftlichen Forschung. Im Jahr 1946 beantragte Lawrence über 2 Millionen Dollar aus dem Manhattan-Projekt. Die Magnete des XA wurden demontiert und beim Bau des 184-Zoll-Zyklotrons wiederverwendet, der im November 1946 fertiggestellt wurde.

Im Jahr 1947 beantragte Lawrence 15 Millionen Dollar, von denen ein Teil für den Bau des „Billions of eV Synchrotron“ (abgekürzt „Bevatron“) verwendet wurde. Das Bevatron ist ein Protonenbeschleuniger, der 1954 gebaut wurde.

Lawrence und andere begutachteten 1950 das Bevatron-Modell. Bildquelle: Lawrence Berkeley National Laboratory

Segrè und Chamberlain (Owen Chamberlain, 1920–2006) nutzten das Bevatron 1955 zur Erzeugung von Antiprotonen, und Bruce Cork (Bruce Cork, 1916–1994) und andere nutzten es 1956 zur Erzeugung von Antineutronen. Diese Errungenschaften haben wichtige Beiträge zur menschlichen Erforschung von Antiteilchen und sogar Antimaterie geleistet. Für diese Entdeckung erhielten Segrè und Chamberlain 1959 den Nobelpreis für Physik.

Lawrence gewann 1957 außerdem den zweiten Enrico-Fermi-Preis für seine Beiträge zur Kernphysik. Erwähnenswert ist, dass Lawrences Bruder John Lawrence 1983 ebenfalls den Fermi-Preis für seine Arbeit zur Verwendung von zyklotronproduzierten radioaktiven Isotopen zur Behandlung von Leukämie und Polyzythämie erhielt.

Von den 1930er bis in die 1950er Jahre sammelte Lawrence über verschiedene Kanäle enorme Geldsummen ein, baute immer leistungsfähigere Beschleuniger, organisierte und leitete ein großes Team im Labor und etablierte ein Modell der „Big Science“. Lawrence ist wahrlich der „Vater der großen Wissenschaft“.

Mit Oppenheimer: Von den Brüdern bis zur Trennung

Von allen Freunden Lawrences hatte er die komplizierteste Beziehung zu Oppenheimer. Die beiden verband einst eine tiefe Freundschaft. Um seine Liebe zu Oppenheimer auszudrücken, nannte Lawrence sein viertes Kind Robert (Oppenheimers Name ist Robert).

Ihre Freundschaft wurde jedoch durch ihre unterschiedlichen politischen Positionen belastet. Während seiner Zeit an der UCB pflegte Oppenheimer engen Kontakt zur damaligen amerikanischen Linken und unterstützte Wissenschaftler und Doktoranden der Schule und sogar des Strahlenlabors bei der Teilnahme an Gewerkschaftsaktivitäten. Lawrence war politisch konservativ; außerdem hatte er enge Verbindungen zu den reichen Leuten, die das Strahlenlabor finanzierten, und diese reichen Leute wollten einigen Forderungen der Gewerkschaft nicht zustimmen.

Infolgedessen war Lawrence mehr als einmal von Oppenheimer verärgert. Oppenheimer war der Ansicht, dass Lawrence zu opportunistisch und anmaßend war. Während des Manhattan-Projekts ergriff Oppenheimer die Initiative, sich von linken Aktivitäten fernzuhalten, und beteiligte sich aktiv an der Schaffung des Beschleunigers der University of California, um einige Probleme zu lösen. Der Konflikt zwischen Lawrence und Oppenheimer entspannte sich vorübergehend erheblich.

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs beschloss Oppenheimer, als Direktor des Los Alamos Laboratory zurückzutreten. Präsident Robert Sproul (1891–1975) lud Oppenheimer ein, zur UCB zurückzukehren. Oppenheimer wollte aufgrund seines schlechten Verhältnisses zu Sproul und dem Vorsitzenden der Physikabteilung, Raymond Birge (1887-1980), nicht an die UCB zurückkehren.

Lawrence riet Oppenheimer ebenfalls, zurückzugehen, doch Oppenheimer lehnte mit der Begründung ab, dass die Harvard University das zwei- oder dreifache Gehalt bieten könne. Lawrence forderte Sproul auf, Oppenheimers Gehalt zu verdoppeln, mit der Begründung, dass Oppenheimers Ruhm ihm weit mehr Geld einbringen würde als dieses Gehalt. Sproul stimmte widerwillig zu.

Als Lawrence Oppenheimer mit einem höheren Gehalt zurückforderte, sagte Oppenheimer die Wahrheit und sagte, dass Birch die Position des Abteilungsleiters aufgeben sollte. Lawrence war wütend. Später schrieb Oppenheimer an Lawrence, dass er im Laufe der Jahre gegenüber Lawrence immer im Nachteil gewesen sei, und seine Worte seien voller Groll gewesen. [7] Die beiden hatten sich jedoch noch nicht getrennt. Nachdem das 184-Zoll-Zyklotron fertiggestellt war, machten die beiden fröhlich ein Foto vor dem Beschleuniger.

Oppenheimer (links) und Lawrence (rechts) vor dem 184-Zoll-Zyklotron, circa 1946. Bildnachweis: Strahlungslabor der University of California (Berkeley)

1948 starb Richard Tolman (1881–1948), ein gemeinsamer Freund von Lawrence und Oppenheimer, an einem Herzinfarkt. Zuvor hatte Oppenheimer eine langjährige außereheliche Affäre mit Tolmans Frau. Lawrence glaubte, dass Tolman einen Herzinfarkt erlitten habe, nachdem er erfahren hatte, dass seine Frau eine Affäre hatte, „und er starb an gebrochenem Herzen.“ Lawrence sagte, Tolmans Tod sei das erste Mal gewesen, dass er mit Oppenheimer unzufrieden war. [7]

1949 gelang der Sowjetunion die Zündung einer Atombombe. Lawrence begann sofort, die Herstellung der Wasserstoffbombe aktiv voranzutreiben und errichtete eine Zweigstelle des Strahlungslabors in Livermore, das später zu einer der wichtigsten Institutionen für die Herstellung der Wasserstoffbombe wurde. Oppenheimer war ein entschiedener Gegner der Entwicklung der Wasserstoffbombe. Die Kluft zwischen den beiden Männern vergrößerte sich rasch.

Im Jahr 1953 war Lewis Strauss (1896–1974) Vorsitzender der US-Atomenergiekommission (AEC). Zuvor war Oppenheimer Vorsitzender des General Advisory Committee (GAC) der AEC. Strauss hegte schon lange einen Groll gegen Oppenheimer und unterstützte nachdrücklich die Entwicklung der Wasserstoffbombe. Daher beschloss er, Oppenheimer aus der Entscheidungsebene für Atomwaffen auszuschließen und Oppenheimers Einfluss zu beseitigen.

Im Jahr 1954 organisierte Strauss eine Anhörung gegen Oppenheimer, um ihm die Sicherheitsfreigabe der Stufe Q (die höchste Stufe der Sicherheitsfreigabe, die Zugang zu Atomgeheimnissen gewährt) zu entziehen. Zu den Zeugen, die er einlud, um gegen Oppenheimer auszusagen, gehörte Lawrence.

Lawrence war sehr verärgert über Oppenheimers wiederholte Behinderung der Wasserstoffbombenforschung und sagte seine Teilnahme zu. Am Abend vor seinem Auftritt rief er jedoch Strauss an und teilte ihr mit, dass er einen Colitis-Anfall habe und nicht an der Anhörung teilnehmen könne. Im Film „Oppenheimer“ wurde Lawrence durch den Blick des Rabbiners (Isidor Rabi, 1898–1988) vor dem Anhörungsraum abgeschreckt. Im Film handelte es sich dabei um eine dramatische Fiktion, da Lawrence sich an diesem Tag nicht in die Nähe des Verhandlungsortes begab.

Strauss war wütend und beschuldigte Lawrence, ein Feigling zu sein. Es ist wahr, dass Lawrence möglicherweise befürchtet hat, dass das Erscheinen vor der Anschuldigung seine Beziehung zu einigen seiner Kollegen sammeln und sich daher zurückgezogen und sogenannte "Feigheit"). Aber er hätte an diesem Tag auch einen Kolitisangriff haben können, weil er schwere Kolitis hatte. Natürlich hätte er im letzten Moment auch an die alte Freundschaft gedacht haben. Seine Abwesenheit kann das Ergebnis von zwei oder sogar drei der oben genannten Gründe sein.

AEC -Beamte hinterließen jedoch eine schriftliche Aufzeichnung von Lawrences Kritik an Oppenheimer, als sie ihn besuchten. Lawrence glaubte, dass Oppenheimer "nichts mehr mit Entscheidungsfindung zu tun hat". Dies wurde als Teil des Zeugnisses gegen Oppenheimer verwendet. Letztendlich wurde Oppenheimers Sicherheitsfreigabe beendet. Lawrences Interviewaufzeichnungen spielen jedoch möglicherweise nicht unbedingt eine entscheidende Rolle für das Endergebnis.

Diese Anhörung stellte auch eine vollständige Pause zwischen Lawrence und Oppenheimer dar. Nur weil Lawrence sich weigerte, vor Gericht zu erscheinen, vermied er eine persönliche Trennung von Oppenheimer und beendete ihre Freundschaft auf relativ anständige Weise.

Lawrences Vermächtnis

Am 27. August 1958 starb Lawrence im Alter von 57 Jahren an Kolitis. Sein früher Tod stand teilweise mit seiner langfristigen Arbeit mit hoher Intensitätsmanagement, und seine häufigen Reisen zwischen Ost und West der Vereinigten Staaten während des Kalten Krieges forderten seine Gesundheit.

Es gibt eine herzerwärmende Szene im Film "Oppenheimer": 1963 gewann Oppenheimer den Fermi -Preis. Bei der Preisverleihung ging der grauhaarige Lawrence über und tätschelte Oppenheimer auf die Schulter, um Versöhnung zu zeigen. Dieser Schuss geschah jedoch nie: 1963 war Lawrence seit fünf Jahren tot. (Natürlich ist der Film kein Dokumentarfilm, daher ist es gut, dem Publikum eine schöne Fantasie zu geben.)

Um Lawrence für die Einrichtung und Entwicklung des Strahlungslabors zu danken, benannte das Regentenrat der Universität von Kalifornien kurz nach seinem Tod das Strahlenlabor "Lawrence Strahlungslabor" um.

Später wurden das Lawrence Strahlungslabor und seine Zweigstelle in Livermore verstaatlicht und umbenannt "Lawrence Berkeley National Laboratory" (LBNL) und "Lawrence Livermore National Laboratory" (LLNL) und wurden mit dem US -amerikanischen Energieministerium verbunden.

Luftaufnahme von LBNL -Gebäuden 62, 67 (Molekulare Gießerei) und 66. Bildquelle: US -Energieministerium

1961 kündigten Wissenschaftler von LBNL die Schaffung von Element 103 an und nannten es Lawrencium zu Ehren von Lawrence. Dies war eine große Ehre, und als Seeborg später erfuhr, dass sein Nachname verwendet wurde, um ein neues Element (Seeborgium) zu benennen, erklärte er glücklich, dass diese Ehre größer sei als der Nobelpreis für Chemie, den er gewonnen hatte.

Tatsächlich entdeckte das Strahlungslabor (LBNL) Element 97 Berkelium (1949, das Jahr der Entdeckung), Element 98 Californium (1950), Element 99 Einsteinium (1952), Element 100 Fermium (1952), Element 101 (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) (1955) ,afes 1969) und Element 106 (1974). Von den bisher entdeckten 27 transuranischen Elementen wurden zuerst 12 in Strahlungslabors erzeugt und bestätigt, was bis zu 44%ausmacht.

Seit seiner Fertigstellung stand das Strahlenlabor an der Spitze der Physik und Chemie an der Spitze und leistet viele wegweisende Beiträge zu Physik, Chemie, Astronomie, Kosmologie und anderen Bereichen und leistet auch erhebliche Beiträge zu Biologie, Umweltforschung, Energie und anderen Disziplinen. Bisher haben Wissenschaftler des Labors für die Untersuchung der Strahlungseinrichtung (LBNL) insgesamt 15 Nobelpreise gewonnen, darunter 9 in Physik und 6 in Chemie.

LBNLs City -Pendlerbus mit "Bringing Science Solution in the World", geschrieben am Körper | Bildquelle: Wang Shanqin

Obwohl LLNL nicht so berühmt ist wie LBNL, genießt die Institution einen hohen Ansehen auf dem Gebiet der kontrollierten nuklearen Fusion. Die berühmte nationale Zündeinrichtung (NIF) ist ein von LLNL verwaltetes Labor. Es ist das weltweit größte und höchste Energie-Lasersystem und das größte wissenschaftliche Projekt in den USA.

Der Bau der nationalen Zündeinrichtung der Vereinigten Staaten. Das obige Zeichen lautet "Nationale Zündeinrichtung, die Sternmacht auf die Erde bringt". Bildquelle: Nationale Zündeinrichtung

Neben der Physikforschung haben Zyklotrone wichtige Beiträge zur Medizin geleistet. Menschen haben einige der radioaktiven Isotope verwendet, die von ihm zur Behandlung von Krebs, Schilddrüsenerkrankungen, Leukämie, Polyzythämie und anderen Krankheiten hergestellt wurden, und haben bestimmte Ergebnisse erzielt. Bis heute werden Cyclotrons in vielen Krankenhäusern auf der ganzen Welt immer noch weit verbreitet.

Ernest Lawrence im Kalten Krieg kommentierte den Beitrag und den Einfluss von Lawrence:

"Lawrence hat ein großes Erbe hinterlassen. Die Entwicklung des Zyklotrons veränderte unser Verständnis der Natur, von der Mikrostruktur der Materie zum menschlichen Stoffwechsel, vom Prozess der Photosynthese bis zur Schaffung neuer chemischer Elemente Ields wie Umweltforschung, alternative Energie, Astrophysik und molekulare Biologie.

Besondere Tipps

1. Gehen Sie zur „Featured Column“ unten im Menü des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“, um eine Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zu verschiedenen Themen zu lesen.

2. „Fanpu“ bietet die Funktion, Artikel nach Monat zu suchen. Folgen Sie dem offiziellen Account und antworten Sie mit der vierstelligen Jahreszahl + Monat, also etwa „1903“, um den Artikelindex für März 2019 zu erhalten, usw.

Copyright-Erklärung: Einzelpersonen können diesen Artikel gerne weiterleiten, es ist jedoch keinem Medium und keiner Organisation gestattet, ihn ohne Genehmigung nachzudrucken oder Auszüge daraus zu verwenden. Für eine Nachdruckgenehmigung wenden Sie sich bitte an den Backstage-Bereich des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“.