어니스트 로런스

2.1.1. 발명 과정

로런스를 국제적인 명성으로 이끈 발명은 종이 냅킨 한 장에 그린 스케치에서 시작되었다. 1929년 어느 날 저녁 도서관에 앉아 있던 로런스는 롤프 비데뢰에의 학술 논문을 우연히 보게 되었고, 그 중 한 다이어그램에 흥미를 느꼈다. 이 다이어그램은 일련의 작은 "밀기"를 통해 고에너지 입자를 생성하는 장치를 묘사하고 있었다. 묘사된 장치는 점점 더 길어지는 전극을 사용하여 일직선으로 배치되어 있었다. 당시 물리학자들은 원자핵을 탐구하기 시작했다. 1919년 뉴질랜드의 물리학자 어니스트 러더퍼드는 질소에 알파 입자를 발사하여 일부 핵에서 양성자를 튕겨내는 데 성공했다. 그러나 핵은 다른 양전하를 띤 핵을 밀어내는 양전하를 가지고 있으며, 물리학자들이 막 이해하기 시작한 힘에 의해 단단히 결합되어 있었다. 그것들을 분해, 즉 해체하려면 수백만 볼트 수준의 훨씬 더 높은 에너지가 필요했다.

로런스는 그러한 입자 가속기가 그의 대학 연구실에는 너무 길고 다루기 힘들 것이라고 보았다. 가속기를 더 작게 만들 방법을 고민하던 로런스는 전자기석의 극 사이에 원형 가속 챔버를 배치하기로 결정했다. 자기장은 교류 전위에 연결된 두 개의 반원형 전극 사이에서 하전된 양성자가 가속될 때 나선형 경로로 양성자를 유지할 것이다. 백 번 정도 회전하면 양성자는 고에너지 입자 빔으로 목표물에 충돌할 것이다. 로런스는 동료들에게 고전압을 사용하지 않고도 매우 높은 에너지의 입자를 얻는 방법을 발견했다고 흥분하며 말했다.

로런스가 아이디어를 발전시키기 위해 필요했던 것은 유능한 대학원생들이었다. 닐스 에들렙센은 1930년 9월 조교수직을 맡기 위해 떠났고, 로런스는 그를 데이비드 H. 슬론과 M. 스탠리 리빙스턴으로 교체했으며, 각각 비데뢰에의 가속기와 에들렙센의 사이클로트론 개발에 착수시켰다. 둘 다 자체적인 재정 지원을 받고 있었다. 두 설계 모두 실용적인 것으로 입증되었고, 1931년 5월까지 슬론의 선형 가속기는 이온을 1 MeV까지 가속할 수 있었다. 리빙스턴은 더 큰 기술적 난관에 봉착했지만, 1931년 1월 2일 그의 11 inch 사이클로트론에 1,800 V를 가했을 때, 그는 80,000 전자볼트의 양성자를 회전시키는 데 성공했다. 일주일 후, 그는 3,000 V로 1.22 MeV를 달성했는데, 이는 그의 박사 논문 주제인 사이클로트론 건설에 충분한 에너지였다.

2.1.2. 개발 및 확장

성공의 첫 징후가 나타나자마자 로런스는 새로운, 더 큰 기계를 계획하기 시작했다. 로런스와 리빙스턴은 1932년 초에 27 inch 사이클로트론 설계를 그렸다. 800 USD짜리 11 inch 사이클로트론의 자석은 2 t의 무게가 나갔지만, 로런스는 27인치 사이클로트론을 위해 제1차 세계 대전 당시 대서양 횡단 무선 통신을 위해 만들어졌던 80 t짜리 거대한 자석을 캘리포니아주 팰로앨토의 고물상에서 녹슬고 있는 것을 발견했다.

사이클로트론을 통해 그는 강력한 과학 기기를 갖게 되었지만, 이것이 곧바로 과학적 발견으로 이어지지는 않았다. 1932년 4월, 영국의 캐번디시 연구소의 존 콕크로프트와 어니스트 월턴은 리튬에 양성자를 충돌시켜 헬륨으로 핵변환시키는 데 성공했다고 발표했다. 필요한 에너지는 11 inch 사이클로트론의 능력 범위 내에서 상당히 낮았다. 이 소식을 들은 로런스는 버클리로 전보를 보내 콕크로프트와 월턴의 결과를 검증해달라고 요청했다. 팀이 이를 수행하는 데는 주로 적절한 감지 장치 부족으로 인해 9월까지 걸렸다.

로런스의 방사선 연구소는 사이클로트론의 과학적 활용보다는 개발에 중점을 두었기 때문에 중요한 발견을 계속 놓쳤지만, 점점 더 커지는 기계를 통해 로런스는 고에너지 물리학 실험에 필요한 중요한 장비를 제공할 수 있었다. 이 장치를 중심으로 그는 1930년대 새로운 핵물리학 연구 분야에서 세계 최고의 연구소를 건설했다. 그는 1934년 사이클로트론에 대한 특허를 받았고, 이를 로런스의 초기 연구에 많은 자금을 지원했던 민간 재단인 리서치 코퍼레이션에 양도했다.

1936년 2월, 하버드 대학교 총장 제임스 B. 코난트는 로런스와 로버트 오펜하이머에게 매력적인 제안을 했다. 캘리포니아 대학교 총장 로버트 고든 스프라울은 조건을 개선하여 대응했다. 방사선 연구소는 1936년 7월 1일 캘리포니아 대학교의 공식 부서가 되었고, 로런스는 정식으로 소장으로 임명되었으며, 전임 부소장을 두었고, 대학은 연구 활동을 위해 연간 2.00 만 USD를 지원하기로 합의했다. 로런스는 간단한 사업 모델을 채택했다. "그는 물리학과의 대학원생과 젊은 교수진, 무엇이든 기꺼이 할 새로운 박사 학위 소지자, 그리고 아무런 대가 없이 봉사할 수 있는 펠로우십 소지자 및 부유한 손님들로 연구실을 채웠다."

2.1.3. 과학계의 반응과 도전

새로운 27 inch 사이클로트론을 사용하여 버클리 팀은 최근 발견된 중수소로 폭격한 모든 원소가 에너지를 방출하며, 그 범위가 동일하다는 것을 발견했다. 따라서 그들은 무한 에너지의 가능한 원천인 새롭고 지금까지 알려지지 않은 입자의 존재를 가정했다. 뉴욕 타임스의 윌리엄 로런스는 로런스를 "과학의 새로운 기적을 행하는 사람"이라고 묘사했다.

콕크로프트의 초청으로 로런스는 1933년 벨기에에서 열린 솔베 회의에 참석했다. 이것은 세계 최고의 물리학자들이 정기적으로 모이는 자리였다. 거의 모든 참가자는 유럽 출신이었지만, 가끔 로버트 A. 밀리컨이나 아서 컴프턴과 같은 뛰어난 미국 과학자들도 초청되었다. 로런스는 사이클로트론에 대한 발표를 요청받았다.

솔베 회의에서 로런스의 무한 에너지 주장은 매우 다른 반응을 얻었다. 그는 1932년 중성자를 발견하여 1935년 노벨상을 수상한 캐번디시 연구소의 물리학자 제임스 채드윅으로부터 혹독한 회의론에 부딪혔다. 로런스의 귀에는 거만하게 들리는 영국식 억양으로 채드윅은 로런스 팀이 관찰하고 있는 것이 장비의 오염 때문이라고 시사했다.

버클리로 돌아온 로런스는 채드윅을 설득할 충분한 증거를 모으기 위해 팀을 동원하여 결과를 꼼꼼히 검토했다. 한편, 캐번디시 연구소에서는 러더퍼드와 마크 올리펀트가 중수소가 헬륨-3을 형성하기 위해 핵융합을 일으키며, 이것이 사이클로트론 연구자들이 관찰했던 효과를 유발한다는 것을 발견했다. 채드윅이 옳았을 뿐만 아니라, 그들은 핵융합이라는 또 다른 중요한 발견을 간과했던 것이다. 로런스의 반응은 더 큰 사이클로트론을 계속 만드는 것이었다. 27 inch 사이클로트론은 1937년 6월 37 inch 사이클로트론으로 대체되었고, 이는 다시 1939년 5월 60 inch 사이클로트론으로 대체되었다. 이 사이클로트론은 철을 폭격하는 데 사용되었고 6월에 첫 방사성 동위원소를 생산했다.

2.2.1. 동위원소 및 원소 발견

1940년 12월, 글렌 T. 시보그와 에밀리오 세그레는 60 inch 사이클로트론을 사용하여 우라늄-238을 중수소로 폭격하여 새로운 원소인 넵투늄-238을 생성했는데, 이는 베타 붕괴를 통해 플루토늄-238을 형성한다. 이 플루토늄의 동위원소 중 하나인 플루토늄-239는 핵분열을 일으킬 수 있어 원자폭탄을 만드는 또 다른 방법을 제공했다.

사이클로트론을 이용한 핵 변환 실험을 통해 1937년에는 테크네튬이 발견되었으며, 1934년 프레데리크 졸리오-퀴리와 이렌 졸리오-퀴리의 인공 방사능 연구를 바탕으로 로런스는 그의 실험실에서 고에너지 양성자를 탄소-13 원소에 발사하여 질소-13 동위원소를 발견했다. 그는 흑연에 고에너지 양성자를 충돌시켜 우연히 탄소-14 동위원소를 발견하기도 했다.

2.2.2. 의학 및 생화학 연구 응용

핵물리학보다 특히 암 치료와 같은 의료 목적으로 자금을 모으는 것이 더 쉬웠기 때문에, 로런스는 사이클로트론의 의료 연구 활용을 장려했다. 그의 동생 존과 캘리포니아 대학교 생리학과의 이스라엘 라이언 차이코프와 협력하여 로런스는 방사성 동위원소의 치료 목적 사용에 대한 연구를 지원했다. 인-32는 사이클로트론에서 쉽게 생산되었고, 존은 이를 사용하여 진성 다혈구증이라는 혈액 질환을 앓는 여성을 치료했다. 존은 1938년 37 inch 사이클로트론에서 생성된 인-32를 백혈병에 걸린 쥐에게 실험했다. 그는 방사성 인이 빠르게 성장하는 암세포에 집중된다는 것을 발견했다. 이는 이후 인간 환자에 대한 임상 시험으로 이어졌다. 1948년 치료법 평가에 따르면 특정 상황에서 관해가 발생했다. 로런스는 또한 중성자의 의료적 사용에 대한 희망을 가지고 있었다. 첫 번째 암 환자는 11월 20일 60 inch 사이클로트론에서 중성자 치료를 받았다. 차이코프는 방사성 동위원소를 방사성 추적자로 사용하여 생화학 반응의 메커니즘을 탐구하는 시험을 수행했다.

로런스는 1939년 11월 "사이클로트론의 발명과 개발, 그리고 이를 통해 얻은 결과, 특히 인공 방사성 원소에 대한 연구"로 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 버클리에서 최초의 노벨상 수상자였을 뿐만 아니라, 주립 대학교에서 노벨상을 수상한 최초의 인물이기도 했다. 제2차 세계 대전으로 인해 노벨상 시상식은 1940년 2월 29일 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 휠러 홀 강당에서 열렸으며, 로런스는 스웨덴 샌프란시스코 총영사 칼 E. 발레르스테트로부터 메달을 받았다. 로버트 W. 우드는 로런스에게 "당신이 우라늄의 대격변적 폭발을 위한 토대를 마련하고 있으니... 노벨도 분명 승인할 것입니다"라고 예언적으로 편지를 썼다.

1940년 3월, 아서 컴프턴, 배니버 부시, 제임스 B. 코난트, 칼 T. 컴프턴, 앨프리드 리 루미스는 버클리로 가서 로런스의 4500 t 자석을 사용하는 184 inch 사이클로트론 제안에 대해 논의했다. 이 프로젝트는 265.00 만 USD가 소요될 것으로 추정되었다. 록펠러 재단은 프로젝트 시작을 위해 115.00 만 USD를 지원했다.

2.3.1. 방사선 연구소와 우라늄 농축

1941년 9월, 올리펀트는 버클리에서 로런스와 오펜하이머를 만났고, 그들은 그에게 새로운 184 inch 사이클로트론 부지를 보여주었다. 올리펀트는 차례로 미국인들에게 원자폭탄 개발 프로그램을 옹호하는 영국 모드 위원회의 권고를 따르지 않는 것에 대해 비난했다. 로런스는 이미 핵분열성 동위원소인 우라늄-235를 우라늄-238에서 분리하는 문제, 즉 오늘날 우라늄 농축으로 알려진 과정에 대해 생각하고 있었다. 우라늄 동위원소를 분리하는 것은 두 동위원소가 화학적 특성이 거의 동일하고 작은 질량 차이를 이용하여 점진적으로만 분리할 수 있기 때문에 어려웠다. 질량 분석기로 동위원소를 분리하는 것은 올리펀트가 1934년 리튬으로 개척한 기술이었다.

로런스는 그의 오래된 37 inch 사이클로트론을 거대한 질량 분석기로 개조하기 시작했다. 그의 추천으로 맨해튼 계획의 책임자인 레슬리 R. 그로브스 주니어 준장은 오펜하이머를 뉴멕시코주 로스앨러모스 국립 연구소의 소장으로 임명했다. 방사선 연구소가 전자기적 우라늄 농축 과정을 개발하는 동안, 로스앨러모스 연구소는 원자폭탄을 설계하고 건설했다. 방사선 연구소와 마찬가지로 로스앨러모스 연구소도 캘리포니아 대학교에서 운영했다.

전자기적 동위원소 분리에는 두 가지 실험실 장비인 질량 분석기와 사이클로트론의 하이브리드인 칼루트론이라는 장치가 사용되었다. 이 이름은 "캘리포니아 대학교 사이클로트론"에서 유래했다. 1943년 11월, 버클리의 로런스 팀은 올리펀트를 포함한 29명의 영국 과학자들에 의해 강화되었다.

전자기 과정에서는 자기장이 하전된 입자를 질량에 따라 굴절시켰다. 이 과정은 과학적으로 우아하지도 않았고 산업적으로 효율적이지도 않았다. 기체 확산 공장이나 원자로에 비해 전자기 분리 공장은 더 희귀한 재료를 소비하고, 더 많은 인력을 필요로 하며, 건설 비용도 더 많이 들었다. 그럼에도 불구하고, 이 과정은 입증된 기술을 기반으로 하여 위험이 적었기 때문에 승인되었다. 또한, 단계적으로 건설할 수 있었고, 빠르게 산업적 생산 능력에 도달할 수 있었다.

2.3.2. 오크리지에서의 핵물질 생산

테네시주 오크리지에 건설된 전자기 분리 공장인 Y-12의 설계 및 건설 책임은 스톤 앤 웹스터에 할당되었다. 1.47 만 t의 은을 사용하는 칼루트론은 밀워키의 앨리스-찰머스에서 제조되어 오크리지로 운송되었다. 설계는 알파 트랙으로 알려진 5개의 1단계 처리 장치와 베타 트랙으로 알려진 2개의 최종 처리 장치를 요구했다. 1943년 9월 그로브스는 알파 II로 알려진 4개의 트랙을 추가로 건설하는 것을 승인했다. 1943년 10월 공장이 예정대로 시험 가동을 시작했을 때, 14 t 진공 탱크는 자석의 힘 때문에 정렬에서 벗어나 더 단단히 고정해야 했다. 더 심각한 문제는 자기 코일이 단락되기 시작했을 때 발생했다. 12월에 그로브스는 자석을 해체하도록 명령했고, 내부에서 녹 덩어리가 발견되었다. 그로브스는 트랙을 해체하고 자석을 공장으로 다시 보내 청소하도록 명령했다. 파이프와 부속품을 청소하기 위한 산세척 공장이 현장에 설립되었다.

테네시 이스트먼이 Y-12를 관리하도록 고용되었다. Y-12는 처음에 우라늄-235 함량을 13%에서 15% 사이로 농축했으며, 1944년 3월에 처음 몇백 그램을 로스앨러모스 연구소로 보냈다。우라늄 공급량의 1/5825만이 최종 제품으로 나왔다. 나머지는 공정 중 장비에 흩뿌려졌다. 강력한 회수 노력으로 1945년 1월까지 우라늄-235 공급량의 10%까지 생산량이 증가했다. 2월에는 알파 트랙이 새로운 S-50 열 확산 공장에서 약간 농축된(1.4%) 공급을 받기 시작했다. 다음 달에는 K-25 기체 확산 공장에서 강화된(5%) 공급을 받았다. 1945년 4월까지 K-25는 베타 트랙에 직접 공급할 수 있을 만큼 충분히 농축된 우라늄을 생산하고 있었다.

1945년 7월 16일, 로런스는 최초의 원자폭탄 트리니티 핵 실험을 채드윅과 찰스 A. 토마스와 함께 관찰했다. 로런스만큼 그 성공에 흥분한 사람은 거의 없었다. 이제 작동하는 무기를 일본에 어떻게 사용할 것인가는 과학자들에게 문제가 되었다. 오펜하이머는 일본 지도자들에게 새로운 무기의 위력을 시연하지 않는 것을 선호했지만, 로런스는 시연이 현명할 것이라고 강력히 주장했다. 우라늄 폭탄이 히로시마에 경고 없이 사용되었을 때, 로런스는 자신의 성취에 큰 자부심을 느꼈다.

로런스는 맨해튼 계획이 개선된 칼루트론을 개발하고 알파 III 트랙을 건설하기를 희망했지만, 이는 비경제적인 것으로 판단되었다. 알파 트랙은 1945년 9월에 폐쇄되었다. 그 어느 때보다 성능이 좋았음에도 불구하고, 그들은 K-25와 1946년 1월에 가동을 시작한 새로운 K-27과 경쟁할 수 없었다. 12월에 Y-12 공장은 폐쇄되어 테네시 이스트먼의 급여를 8,600명에서 1,500명으로 줄여 월 200.00 만 USD를 절약했다. 방사선 연구소의 직원 수는 1945년 5월 1,086명에서 연말까지 424명으로 줄었다.

2.4.1. 거대 과학 옹호 및 추진

전쟁 후 로런스는 대규모 과학 프로그램에 대한 정부 지원을 광범위하게 주장했다. 그는 큰 기계와 막대한 자금을 필요로 하는 거대 과학의 강력한 옹호자였으며, 1946년에는 방사선 연구소 연구를 위해 맨해튼 계획에 200.00 만 USD 이상을 요청했다. 그로브스는 자금을 승인했지만, 인구 밀집 지역인 버클리에 시보그가 제안한 "핫" 방사선 연구소와 존 로런스의 의료용 동위원소 생산을 포함한 여러 프로그램을 삭감했다. 이러한 필요는 이제 원자로를 통해 더 잘 충족될 수 있었기 때문이었다. 한 가지 장애물은 전시 군사 의무를 해제하기를 열망했던 캘리포니아 대학교였다. 로런스와 그로브스는 스프라울을 설득하여 계약 연장을 수락하게 했다. 1946년, 맨해튼 계획은 캘리포니아 대학교에서 물리학에 대해 대학이 지출한 1달러당 7 USD를 지출했다.

2.4.2. 새로운 가속기 개발과 연구소 설립

184 inch 사이클로트론은 맨해튼 계획의 전시 자금으로 완성되었다. 이 사이클로트론은 에드윈 맥밀런의 새로운 아이디어를 통합하여 싱크로사이클로트론으로 완성되었다. 1946년 11월 13일 가동을 시작했다. 1935년 이후 처음으로 로런스는 실험에 적극적으로 참여하여 유진 가드너와 함께 최근 발견된 파이 중간자를 싱크로트론으로 생성하려는 시도에 실패했다. 이후 세자르 라테스는 그들이 만든 장치를 사용하여 1948년 음전하 파이 중간자를 발견했다.

미국 에너지부 국립 연구소의 책임은 1947년 1월 1일 새로 설립된 미국 원자력 위원회(AEC)로 넘어갔다. 그 해, 로런스는 새로운 선형 가속기와 베바트론으로 알려진 새로운 기가전자볼트 싱크로트론을 포함한 그의 프로젝트를 위해 1500.00 만 USD를 요청했다. 로스앨러모스 연구소를 운영하는 캘리포니아 대학교의 계약은 1948년 7월 1일에 만료될 예정이었고, 일부 이사회 구성원들은 캘리포니아 외부에 있는 시설을 운영하는 책임을 대학에서 벗어나고 싶어 했다. 몇 차례 협상 끝에 대학은 현재 로스앨러모스 국립 연구소로 불리는 곳의 계약을 4년 더 연장하고, 1945년 10월 오펜하이머를 대신하여 소장이 된 노리스 브래드버리를 교수로 임명하는 데 동의했다. 곧이어 로런스는 요청했던 모든 자금을 받았다.