ארנסט לורנס

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

ארנסט אורלנדו לורנס (Ernest Orlando Lawrence) ‏(8 באוגוסט 1901 - 27 באוגוסט 1958) היה אחד הפיזיקאים האמריקאים הבולטים במהלך המאה ה-20. הוא נודע בזכות המצאת הציקלוטרון, מאיץ החלקיקים המעגלי הראשון, ובזכות השימוש בו בחקר הפיזיקה הגרעינית. על כך הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1939.

מימין לשמאל: ארנסט לורנס, אנריקו פרמי ורוברט אופנהיימר.

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, שבו היה לו תפקיד מרכזי, בפרט בתחום של העשרת האורניום.

[עריכה] תחילת הקריירה

לורנס נולד בעיירה קנטון שבדרום דקוטה, למשפחה ממוצא נורבגי. בנעוריו גילה עניין בהרכבת מכשירי רדיו. בגיל 16 החל את לימודי הרפואה בקולג' סנט אולף במינסוטה - קולג' לותרני קטן. לאחר שנה עבר לאוניברסיטת דרום דקוטה, ובה אחד הפרופסורים, שהבחין בהתעניינותו של לורנס במכשירי רדיו, שכנע אותו ללמוד 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 השלים ב-1925 עבודת דוקטורט ניסויית שעסקה באפקט הפוטואלקטרי. הוא נשאר בייל במסגרת פוסט דוקטורט והפך למרצה 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 שיתפו פעולה במחקריהם. 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 השנייה) ושימוש במדידות אלו לצורך חקירת השלבים הראשונים של התפרקות חשמלית. כן מצא לורנס שיטות חדשות למדידת היחס e/m בין מטען האלקטרון למסתו.

לורנס הרבה לשהות באוניברסיטאות במזרח ארצות הברית. באחד מביקורים אלה פגש את מרי (מולי) בלאמר, בתו של פרופסור לרפואה בייל. הם נישאו ב-1932, ונולדו להם 6 ילדים.

[עריכה] המצאת הציקלוטרון

ארנסט לורנס התפרסם בעקבות המצאת הציקלוטרון, שהיה מאיץ החלקיקים המעגלי הראשון, והיווה פריצת דרך משמעותית בתחום. הציקלוטרון הפך למאיץ החלקיקים החשוב ביותר באמצע המאה העשרים, ומחקרים רבים נעשו בעזרתו. מאיצי החלקיקים שהופיעו אחר כך ומשמשים את המדענים גם כיום מבוססים על המצאתו.

עידן הפיזיקה הגרעינית החל ב-1919, כאשר ארנסט רתרפורד הפציץ אטומי חנקן בחלקיקי אלפא שנוצרו בהתפרקות רדיואקטיבית טבעית, וכתוצאה מכך חלק מאטומי החנקן הפכו לאטומי חמצן. אולם, במהלך שנות ה-20 לא חלה התפתחות בתחום, משום שהאנרגיה של חלקיקי האלפא הייתה מוגבלת, ולכן בשנת 1927 קרא רתפורד לבניית מכשירים שיוכלו להאיץ חלקיקים טעונים למהירות מספיק גבוהה כך שהאנרגיה שלהם תגיע לערך הנדרש - מאות אלפי ואפילו מיליוני אלקטרון וולט.

באותה תקופה לא ניתן היה ליצור מתח גבוה מספיק הדרוש להאצת חלקיקי האלפא לאנרגיות כאלה, ולכן הועלו רעיונות להאיץ חלקיקים על ידי שימוש חוזר באותו מתח כמה פעמים, כלומר האצה בשלבים. 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: חלקיקים טעונים נמשכים לתוך אלקטרודה צינורית בעזרת מתח חשמלי ונדחים ממנה החוצה, לאחר שעברו את אמצע הצינור, בעזרת היפוך המתח בצורה מתוזמנת. 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.

איור של הציקלוטרון מהפטנט שלורנס רשם ב-1934

שיטה זו נתנה השראה ללורנס למצוא דרך להשתמש שוב ושוב באותו מתח על מנת להאיץ את החלקיקים, וכך לקבל בכל מעבר של החלקיק תוספת אנרגיה עד לקבלת האנרגיה הדרושה. הוא הבין שניתן להשתמש בשדה מגנטי על מנת להחזיר את החלקיקים לאזור ההאצה אחרי כל פעם שבה הם יצאו ממנו, וכך להשתמש פעמים רבות באותו הפרש מתחים. לורנס חשב על מכשיר שיכיל שני אזורים שבהם יש שדה מגנטי אחיד, וביניהם אזור קטן ובו שדה חשמלי מתחלף הניצב לשדה המגנטי. החלקיקים יואצו באזור השדה החשמלי עד שיגיעו לאזור השדה המגנטי, שם הם יסתובבו בחצי מעגל בלי לשנות את מהירותם, ויחזרו לאזור השדה החשמלי על מנת לקבל האצה נוספת.

חלקיק טעון שנמצא בשדה מגנטי אחיד הניצב לכיוון תנועתו מסתובב במעגל. רדיוס המעגל עולה ביחס ישר למהירות החלקיק, ולכן 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 יאיץ תמיד את החלקיקים כשהם יעברו בו. לאחר כל מעבר כזה רדיוס התנועה של החלקיקים בשדה המגנטי גדל, עד שהם מגיעים לאנרגיה מסוימת, ואז הם יוצאים מהמכשיר בצורת קרן של חלקיקים.

לורנס, בעזרת הסטודנטים שלו ובראשם סטנלי ליווינגסטון, החל ב-1930 בבניית המודל הראשון של הציקלוטרון, בקוטר של 4.5 אינץ' (11.4 ס"מ). המודל הופעל לראשונה בהצלחה ב-2 בינואר 1931. בעזרת הפרש מתחים של 1800 וולט, הצליח לורנס להאיץ חלקיקים טעונים למהירויות שבהן האנרגיה הקינטית שלהם הייתה 80,000 אלקטרון וולט (שקול להאצה חד-פעמית של אותו חלקיק בעזרת בהפרש מתחים של 80,000 וולט).

ב-1934, רשם לורנס פטנט על הציקלוטרון. אחרי שהפעלת המודל הראשון של הציקלוטרון הצליחה, החל לורנס לבנות ציקלוטרונים גדולים יותר, שהאיצו חלקיקים לאנרגיות גבוהות יותר. ב-1932 בנה לורנס ציקלוטרון בקוטר 27 אינץ' (68.6 ס"מ), שהאיץ חלקיקים לאנרגיות של מיליוני אלקטרון וולט, ובהמשך העשור נבנו ציקלוטרונים בעלי קוטר של עד 60 אינץ' (152.4 ס"מ) שהגיעו לאנרגיות של עשרות מיליוני אלקטרון וולט. 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 ויישומיו. 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 כוללת של כ-25 דולר, בניית הדגמים המתקדמים יותר הצריכה גידול משמעותי הן במשאבים, הן בכוח האדם והן בגודל הפיזי של המקום שנועד להכיל את המגנטים הגדולים שנדרשו. באוגוסט 1931 הקצתה האוניברסיטה ללורנס בניין, ובו הוקמה מעבדת הקרינה שבראשה עמד עד מותו, ושאחריו נקראה על שמו והפכה ל"מעבדה 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 כלל צוות מעבדת הקרינה עשרות אנשים, מתחומים שונים: פיזיקאים, כימאים, מהנדסים ואפילו אנשי רפואה וביולוגיה. היא היוותה את אחת הדוגמאות הראשונות ל"מדע גדול", שבו העבודה לא נעשתה על ידי מדען יחיד, אלא בצוותים גדולים ובהשקעה של משאבים רבים. אנשי המעבדה של לורנס השתמשו בציקלוטרונים להפצצת אטומים בחלקיקים אנרגטיים. בעזרת הגלאים שמדדו את החלקיקים המתפזרים מהחומר המופצץ, הם למדו על התכונות הבסיסיות של גרעין האטום, 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 בעלי שימוש רפואי הן לצורך רדיותרפיה והן כסמנים (tracers).

ההתעסקות של לורנס בשיפור מתמיד של הציקלוטרון באה לעתים על חשבון העבודה המדעית עצמה. לורנס וציוותו החמיצו מספר תגליות שהיו יכולים לחשוף בניסויים שאותם ערכו, פשוט מפני שלא חשבו לבצע את המדידות המתאימות. כך למשל אירן ופרדריק ז'וליו-קירי הקדימו אותם בגילוי הרדיואקטיביות המלאכותית - משום 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 הרבה להשתמש כ"קליע" שהואץ בציקלוטרון ופגע במטרות העשויות מאטומים כבדים יותר) מתפרק כאשר הוא פוגע בגרעין אחר - טענה שעוררה הדים רבים בשל השלכותיה מרחיקות הלכת על הפיזיקה הגרעינית, אולם לבסוף התבררה כטעות שנבעה מזיהום של המכשור.

לורנס הרבה לחלוק את המידע שהצוות שלו רכש. מדענים רבים התארחו במעבדתו על מנת ללמוד על הציקלוטרון ואחר כך לבנות ציקלוטרונים באוניברסיטאות אחרות בארצות הברית וברחבי העולם. אחד משיתופי הפעולה המוצלחים של לורנס הוביל לגילויו של יסוד חדש. בעזרת הציקלוטרון, הפציץ לורנס בשנת 1936 דוגמה של מוליבדן בדאוטריום, ואת התוצר הוא מסר לפיזיקאי אמיליו סגרה אשר ביקר בקליפורניה באותה עת. לאחר ששב למעבדתו באוניברסיטת פלרמו באיטליה, בחן סגרה את הדוגמה וגילה את היסוד המלאכותי הראשון - טכנציום.

[עריכה] פיתוח הפצצה הגרעינית

לורנס היה אחת הדמויות המרכזיות בפרויקט פיתוח הפצצה הגרעינית האמריקאית במהלך מלחמת העולם השנייה ("פרויקט מנהטן"). בשנת 1939, לאחר שהתפרסם כי אוטו 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 הביקוע התנהל בעצלתיים, והתעורר רק בעקבות ההתקדמות של מדעני הגרעין בבריטניה. הבריטים הסיקו שאורניום 235 יכול לשמש לפיצוץ גרעיני ושהמסה הקריטית שלו היא בת קילוגרמים אחדים, ולא טונות כפי שחשבו קודם. מספר מדענים בריטים ואמריקאים, בראשות לורנס וארתור קומפטון, ניסו להאיץ את תהליך פיתוח הפצצה. ניסיונותיהם החלו להתממש כאשר האחריות לנושא עברה לידיו של ונבר בוש, ראש "הוועדה הלאומית למחקר בטחוני".

תרומתו המדעית העיקרית של לורנס הייתה בתחום העשרת האורניום. לורנס היה אחראי לפיתוח שיטת ההפרדה האלקטרומגנטית, שמתבססת 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 עשיר יותר באיזוטופ אורניום 235 שמשתתף בתגובת השרשרת הגרעינית, לעומת האיזוטופ אורניום 238 שמפריע לה. הגם 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. תקלות אלו נבעו מתהליך הבנייה המזורז של הקלוטרונים. אף על פי ששיטה זו לא הייתה היחידה שבה השתמשו באוק רידג' להעשרת האורניום, היא הייתה הראשונה שפעלה בהצלחה, והייתה השיטה העיקרית בהעשרת האורניום של "ילד קטן", הפצצה 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. הדרך לייצר אותו מאורניום התגלתה במעבדה שלו בברקלי על ידי ארתור מקמילן, גלן סיבורג ושותפיהם למחקר. מעבדת הקרינה בברקלי הפכה לאחד ממרכזי המחקר החשובים 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 גם בפרויקט העשרת האורניום, ולבסוף גרובס בחר ברוברט אופנהיימר לעמוד בראש המעבדה. על אף 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].

לורנס, רוברט אופנהיימר, ארתור קומפטון ואנריקו פרמי היו חברים בצוות שהתבקש להמליץ כיצד להשתמש בפצצות הגרעיניות, לאחר שהושלם פיתוחן. 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 הופעלה לראשונה פצצה גרעינית.

[עריכה] אחרי המלחמה

לאחר תום מלחמת העולם, ועם תחילת המלחמה הקרה, המשיך לורנס לשמור על קשרים טובים עם הממסד הביטחוני 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 בעל קוטר של 185 אינץ' (470 ס"מ), סינכרוטרון, ומאיץ קווי. בעזרת מאיצים אלה הצליחו מדעני המעבדה ליצור בפעם הראשונה באופן מלאכותי מזונים, ולצפות בפעם הראשונה באנטי-פרוטון. לורנס פעל לא רק למען הפרויקטים של המעבדה שלו, אלא ניצל את המוניטין והקשרים שלו לטובת פרויקטים ביטחוניים-טכנולוגים אחרים. כך דחף למען הפיתוח של מנועים גרעיניים לצוללות ופיתוח של נשק רדיולוגי. הוא לא נהג לפעול באופן פומבי, אלא מאחורי הקלעים, דבר שהתאים יותר לאופיו.

כמו רוב מדעני הגרעין, לורנס התנגד בתחילה לרעיון של אדוארד טלר לפיתוח פצצת המימן. אולם אחרי שהסובייטים ערכו את הניסוי הגרעיני הראשון שלהם ב-1949 שינה לורנס את דעתו, והפך לתומך נלהב של פיתוח הפצצה. תרומתו המדעית של לורנס לפרויקט זה אמורה הייתה להיות בניית מאיצי חלקיקים גדולים שיפיקו נייטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. נייטרונים אלו נדרשים לייצור הטריטיום המשמש בפצצת המימן, כמו גם לייצור פלוטוניום המשמש בפצצת ביקוע גרעיני. המיקום שנבחר למאיץ הראשון היה בסיס חיל אוויר בליברמור, כ-50 קילומטר ממזרח לסן פרנסיסקו. התוכנית בוטלה זמן קצר אחרי הפעלת המאיץ, אולם בעידודו של טלר האתר בליברמור הפך למעבדת המחקר הביטחונית השנייה בחשיבותה (אחרי מעבדת לוס אלמוס). מעבדה זו הייתה בתקופתו של לורנס מסונפת למעבדת הקרינה שלו בברקלי, ואילו היום היא עצמאית לחלוטין 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 לו ב-1954 על הסרת הסיווג הביטחוני שלו. בסופו של דבר, בגלל אשפוזו של לורנס, הוא לא העיד באופן רשמי בפני הוועדה, אבל דיבר עם צוות התביעה וטען באזניהם כי אסור לתת לאופנהיימר "איזשהו קשר לקביעת מדיניות". בעקבות ניסוי גרעיני שנערך בביקיני ב-1954 וגרם לפיזור נשורת גרעינית בטווח שהיה גדול מהמצופה וכלל אזורים מיושבים, החלה לעלות דרישה ציבורית להפסקת הניסויים הגרעיניים. לורנס התנגד לדרישה, והציע במקום זאת לפתח פצצות "נקיות", שיגרמו לפיזור של פחות נשורת.

ב-1958 הוא נענה לבקשתו של הנשיא אייזנהאואר להצטרף למשלחת האמריקנית לשיחות שנערכו בז'נווה בשווייץ 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 ובליברמור. היסוד הכימי מספר 103 שנתגלה ב-1961 במעבדת לורנס בברקלי נקרא "לורנציום" על שמו.