Нобелевские лауреаты: Эдвин МакМиллан

Наш сегодняшний герой был достоин гораздо большего, чем Нобелевской премии всего лишь за открытие каких-то двух трансурановых элементов. На самом деле, именно ему мы обязаны, например, развитием ускорительной техники в мире, которая нас привела, например, к протонной терапии и Большому адронному коллайдеру.

«Эдвин Макмиллан был одним из самых разносторонних ученых, которых я знал», – в таком восхищенном ключе начинает воспоминания о нашем сегодняшнем герое его коллега по Нобелевской премии по химии 1951 года, Гленн Сиборг, не самый последний человек в науке. Но обо всем по порядку.

Эдвин Маттисон Макмиллан

Родился 18 сентября 1907 года, Редондо-Бич, Лос-Анджелес, Калифорния. США

Умер 7 сентября 1991 года, Эль-Серрито, Контра-Коста, Калифорния, США.

Нобелевская премия по физике 1951 года (совместно с Гленном Сиборгом). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытия в области химии трансурановых элементов».

Удивительная история: минимум в двух интернет-источниках на русском языке автору довелось встретить информацию о том, что Эдвин Макмиллан был потомственным физиком. Чуть позже стало понятно: отец нашего героя, тоже Эдвин, только Харбо Макмиллан был physician, а не physicist. То бишь, врачом, а не физиком.

Когда Эвину-младшему исполнился год, Эдвин-старший, Эдвин-младший и мама, Анна Мари Макмиллан, в девичестве Маттисон (догадались, как появилось второе имя будущего лауреата Нобелевской премии?) перебрались в Пасадену. Тоже Калифорния, но ближе к науке.

Эд всегда интересовался природой, а еще до того, как ему исполнилось десять, он перешел от созерцания к решительным действиям. Он начал интересоваться электротехникой и уже к первой круглой дате в своей жизни самостоятельно собрал электрический зуммер.

Будучи старшеклассником, он мог собирать катушки и другие электрические устройства для создания впечатляющих искр. Так как он жил примерно в миле от Калифорнийского технологического института, юный Эд посещал публичные лекции, проводимые там. Затем ему стали позволять проводить много времени в технических лабораториях Калтеха, наблюдая, слушая и спрашивая.

Как пишет Сиборг, «на протяжении всего этого периода Эд добавлял к своему неуемному любопытству острую наблюдательность, чувство независимости и самостоятельности. Он понял, что детали важны для понимания головоломки, и узнал, что, как правило, глубокая симметрия лежит в основе конечных принципов [бытия мироздания]».

Естественно, вопрос, где учиться талантливому человеку, не стоял.

Забавный факт: в Калтехе Макмиллан, как и все студенты, делал исследовательский проект. Был у него в этом проекте напарник. И этот напарник тоже получит Нобелевскую премию по химии, а затем станет одним из немногих дважды нобелиатов в мире. Да-да, все верно. Юные студенческие годы Макмиллан провел с Лайнусом Полингом. Говорят, кстати, что большую часть работы вообще и всю химическую работу руками делал именно Макмиллан, и именно он стал первым автором работы The X-ray Study of Alloys of Lead and Thallium в Journal of the American Chemical Society, вышедшей в 1927 году.

Правда, делать свой PhD Макмиллан отправился в Принстон, где трудился под руководством выдающегося физика, специалиста в области квантовой механики, Эдварда Улера Кондона, который впоследствии работал над разделением изотопов урана в Манхэттенском проекте, а в 1968 году стал первым крупным ученым, «официально» громивший уфологов. Став доктором в 1932 году, Макмиллан вернулся в Калифорнию – но уже в Калифорнийский университет в Беркли, где через два года перешел в свежесозданную радиационную лабораторию Эрнеста Лоуренса, который построил в университете циклотрон.

Именно с этого начался «трансурановый» путь второго нобелевского лауреата по химии 1951 года.

Как мы помним, сама идея бомбардировки одних атомов другими или атомов нейтронами, не принадлежала ни Сиборгу, ни Макмиллану. Так, в 1938 году немцы Отто Ган, Фриц Штрасман и Лиза Мейтнер пытались выйти за пределы урана, бомбардируя атомы урана нейтронами. Не получилось – вместо этого они открыли деление атомного ядра.

Макмиллан решил повторить этот эксперимент, параллельно придумав интересный способ измерить энергетический диапазон продуктов деления, подвергая тонкий слой оксида урана в алюминиевом сэндвиче воздействию нейтронов. Затем он использовал папиросную бумагу вместо алюминиевой фольги и следил за радиоактивностью на различных типах бумаги после бомбардировки, обнаружив одну и ту же временную зависимость. В «осколках» ядер обнаруживалась фракция с периодом полураспада в 23 минуты и некая фракция с периодом в 2,3 дня. Про первую вроде бы было все понятно: это уран-239, некий промежуточный вариант, а вот второе… Макмиллан менял подложки, менял виды урана, менял время бомбардировки.

Как оказалось, лучше всего получалось, если взять тонкие слои ураната аммония, осажденные на бакелитовую подложку и покрытые целлофаном для ловли радиоактивных продуктов деления. При этом если бомбардировать долго, получалось доминирование 2,3-дневной фракции, если мало – то 23-минутного урана-239. Физика зашла в тупик – выделить получившиеся атомы не удавалось.

Макмиллан вспомнил о химии. Эмилио Сегре, открывший (а точнее, синтезировавший) в 1937 году технеций показал, что вещество Макмиллана относится к редким землям. Новые эксперименты на более мощном циклотроне привели Макмиллана к убеждению, что образующийся вначале уран-239 под действием бета-распада образует новый, 93-й элемент!

Осталось его выделить. Объединив усилия с Филиппом Абельсоном, который тоже безуспешно пытался выделить эту 2,3-дневную активность, физики, на время ставшие «нормальными» физиками, и играя на разных свойствах окисленной и востановленной формы нового элемента, смогли-таки отделить его от урана. Так был открыт нептуний, о чем возвестила статья в PhysRev от 27 мая 1940 года. А будущие охотники за трансуранами получили окислительно-восстановительный метод, которым активно пользовались дальше.

Кстати, до этого времени о создании элемента за номером 93 заявляли как минимум трижды: группа Ферми в Италии назвала элемент авсонием, чехи под руководством Одолена Коблича в том же 1934 году якобы получили богемий, а в Румынии в 1938 году Хоря Хулубей заявил о спектроскопическом открытии секвания в минералах.

Итак, нептуний был открыт, и Макмиллан бросился на штурм элемента номер 94 – который уже начал вырисовываться, и тут… и тут его вырвали на военные заказы: вторая мировая уже шла, и работу доделал, кто бы вы думали? Правильно, молодой Гленн Сиборг с коллегами. Их совместная с Макмилланом статья вышла в 1941 году.

Сам же Макмиллан работал сначала над созданием радиолокационной станции СВЧ-диапазона, ну а затем его «забрали» в Манхэттенский проект: он разрабатывал атомный заряд ружейного типа, в котором взрыв начинася с выстрела урановой «пулей» в основную массу урана до достижения критической массы. Именно такой была атомная бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму.

Однако после войны Макмиллан вернулся к мирному атому: в июне 1945 года, работая над завершением начатого перед войной 184-дюймового циклотрона в Беркли, он понял, что циклотрон придется бросить. Ему в голову пришла идея идея принципа автофазировки. Макмиллан доказал, что когда частицы ускоряются в радиочастотном поле не на пике радиочастотного диапазона, а на склоне кривой сигнала, то частицы могут быть стабильно заблокированы в некоторой фазе. Макмиллан выразил эти факты в виде дифференциальных уравнений, описывающих стабильный «пучок» частиц, колеблющихся около синхронной фазы внутри ямы с частотой определяемой параметрами ускорителя. Так появился синхротрон, принципы которого используются и в Большом адронном коллайдере. К чести Макмиллана, когда он (уже после публикации) узнал, что советский физик Владимир Векслер уже опубликовал этот же принцип в советском журнале, который не дошел до США (тогда не было ни интернета, ни SciHub), он признал первенство своего советского коллеги и потом оба физика признали независимость работ друг друга и даже совместно получили премию «Атом для мира» 1963 года.

Но это было уже после Нобелевской премии Макмиллана, которую он разделил с Сиборгом за открытие трансурановых элементов. Хотя дать вторую ему и Векслеру было бы тоже неплохо: на ускорителях, созданных по их идее, не один и не два физика заработали на свои «Нобели».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.