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La fissione nucleare compie 70 anni – 16

La fissione nucleare compie 70 anni – 16
Maggio 31
23:00 2009

Ernest O. Lawrence e l’invenzione del Ciclotrone

M. Stanley-Livingstone e Ernest Lawrence,  nell’installazione del Magnete e del Ciclotrone da 27”Le tentazioni del potere.

Ernest Orlando Lawrence arrivò a Berkeley a tutta velocità, guidando spericolatamente lungo l’autostrada US Route 66 un giorno di agosto del 1928 a bordo di una coupè Reo Flying Cloud. Stava fuggendo da Yale, dove aveva insegnato fisica agli studenti del secondo anno. Il padre di uno studente gli aveva chiesto alla fine del 1927: Darebbe un aiuto speciale a mio figlio per farlo promuovere al suo esame? Lawrence aveva risposto: No. Elegantemente vestito, pieno di boria e indifferenza, l’uomo aveva sorriso: Lei ha un automobile? E Lawrence ancora: No. Le parole finali dell’uomo erano state Promuova mio figlio e gliene prometto una. Camminando verso casa, quella sera, attraverso il campus, Lawrence realizzò di essere stato sul punto di rispondere affermativamente. Per la prima volta, Ernest notò la scritta sulla piscina del campus: soltanto per studenti del primo biennio. Più tardi disse a Isidor Rabi, un altro fisico: Ti trattano come un inserviente. Per alleviare una rabbia che cresceva lentamente, si comprò una auto Flying Cloud (“Nuvola Volante”), quasi nuova, a un prezzo che non poteva permettersi. L’acquisto non lo aiutò molto. (Nuel Pharr Davis, Lawrence & Oppenheimer, Simon & Schuster, 1968)

Una pigra serata in biblioteca.

Un uomo che vive nel Faculty Club (“Circolo di facoltà”) ha poco da perdere da una serata in biblioteca. Lawrence aveva acquisito l’abitudine di meditare in quella sede sui grandi problemi del nucleo e di mantenersi aggiornato sul contenuto delle riviste scientifiche. Tuttavia, una sera accadde qualcosa di diverso: un fatto che avrebbe alterato per sempre la sua vita. Dovrebbe essere stato un febbraio del 1929. Coloro che mandano articolo per la pubblicazione su riviste scientifiche sono tanto insistenti come coloro che spediscono lettere al direttore di un quotidiano: parlano sempre del medesimo argomento e non sono mai né ascoltati né tanto meno pubblicati. Il lettore esperto riconosce i loro nomi e automaticamente salta i loro articoli o le loro lettere. Uno di questi rompiscatole era un certo Rolf Wideroe, uno scienziato (uno pseudo-scienziato?) che viveva in Svizzera – volatile, senza pace, prolifico di articoli ed idee, spesso colto da dubbi atroci. Avendo trovato un articolo di Wideroe sulla rivista specialistica Archiv fur Electrotechnik, Lawrence non fissò alcuna attenzione alla stesura scritta ma gettò uno sguardo al diagramma in bella vista in prima pagina. Il diagramma mostrava una coppia di tubi sistemati fine corsa-contro-fine corsa. Attraverso il primo tubo, uno ione poteva essere fatto cadere da un potenziale positivo a uno negativo con una energia pari a 25mila volt. L’idea era assolutamente comune e l’energia del tutto trascurabile. Tuttavia, nel momento in cui lo ione usciva dal primo tubo ed entrava nel secondo tubo, la carica del campo elettrico veniva invertita e lo ione subiva un altro salto di potenziale di 25mila volt. Il diagramma illustrava appunto il concetto di risonanza, che – nello specifico contesto – significava imprimere allo ione impulsi elettrici ripetuti proprio nei momenti più opportuni per ri-accelerare uno ione già accelerato. Il concetto era ormai vecchio di 10 anni ma Wideroe era il primo a suggerire questa speciale disposizione dell’apparato strumentale. Lawrence avvertì una punta di eccitazione: sudore freddo, aumento delle pulsazioni cardiache, incremento della frequenza respiratoria. Quanti tubi si potevano disporre in quel modo? L’assenza di un limite numerico di tubi implicava l’assenza di limite alla velocità da imprimere allo ione? Lawrence disegnò una serie di schizzi mentali, poi pensò: un limite esiste, per il quale gli ioni, diventati ormai troppo veloci si sarebbero sparpagliati, come i pallini sparati da un fucile a compressione d’aria, e avrebbero inevitabilmente colpito le pareti del tubo invece che proseguire nelle progressive accelerazioni volute. Ernest mise giù la rivista. L’eccitazione continuava a crescere. E se i tubi fossero disposti in circolo? Per esempio, perché sottoposti al campo magnetico creato dai poli di una calamita? Erano quasi pensieri di traiettorie Newtoniane. Tutto quello che era necessario fare, a quel punto, era scrivere un bel sistema di equazioni differenziali e vedere quale modello matematico scaturiva da esse. R a primo membro elimina R a secondo membro. La sera precedente, era accaduto tutto in pochi minuti . Senza leggere l’articolo di Wideroe, Ernest era andato di filato a casa e a letto. Svegliandosi il mattino seguente, diede una occhiata ai suoi appunti e vide che aveva scritto una equazione del tipo M R (da/dt) = e R H La massa (M) della particella moltiplicata per il raggio R di curvatura della traiettoria nella quale essa si muove e moltiplicata ancora per la velocità angolare (da/dt) uguagliava il prodotto della carica elettrica (e) della particella per il raggio di curvatura (R) per l’intensità (H) del campo magnetico. Era ancora vero alla luce del mattino e così affascinante che Ernest doveva comunicare la notizia a qualcuno. Potrei essere stata la prima persona cui Lawrence ha menzionato l’idea, ha detto James Brady, un giovane studente già assistente, Ricordo l’evento se non la data, perché è stata quella la circostanza in cui sono cresciuto come fisico. Lawrence irruppe con violenza nel laboratorio di Le Conte Hall, dove stavo lavorando ad un altro problema, i suoi occhi brillavano di entusiasmo e mi trascinò alla lavagna. Su di essa, scrisse l’equazione del moto di una particella in un campo magnetico. Ernest disse subito rivolto a me: Nota come la grandezza R compaia in entrambi i membri della equazione e quindi si elide. Capisce che cosa significa questo? La condizione di risonanza non dipende dal raggio di curvatura della traiettoria e quindi gli ioni possono essere accelerati fino a velocità elevatissime. Brady guardò la lavagna e disse che la formula sembrava molto promettente. R elimina R, continuava a ripetere Lawrence. A quel punto, Brady pensò di poter avanzare uno dei problemi che stava incontrando nel suo lavoro di tesi, dicendo che aveva qualche domanda da porre a Lawrence; ma questo ultimo fu assai rude. Vai avanti per conto tuo, disse infatti. Non lo avevo mai visto così distante dagli studenti. Lui aveva i suoi problemi, io avevo i miei. A ciascuno il suo. A nessuno importava di nessuno. La circostanza sviluppò in me un grande senso di solitudine. Per questo motivo, dico che quel giorno sono nato come fisico. Qualche mese più tardi lo ho anche detto a Lawrence. Lui ha risposto che a Yale, quando era studente con Robert Millikan, gli era accaduta la medesima cosa e si era rivelata come il punto di svolta della sua vita da fisico. (Nuel Pharr Davis, Lawrence & Oppenheimer, Simon & Schuster, 1968) La migliore macchina per la ricerca in fisica nucleare. Lawrence, e il suo assistente Livingston, offrirono il ciclotrone al mondo della fisica come la macchina migliore e più efficace per ricerche nel campo della fisica pura e applicata. Il ciclotrone era ormai uno strumento completamente affidabile, come riportavano in uno storico articolo apparso sul Physical Review: appare opportuno enfatizzare due particolari aspetti che hanno contribuito più di ogni altro alla efficacia del metodo, la azione focalizzante del campo elettrico e magnetico e i semplici metodi per modificare empiricamente il campo magnetico attraverso alcuni opportuni dispositivi di correzione. USARE GRANDI MAGNETI PER SCINDERE L’ATOMO scriveva un comunicato della Associated Press e ancora SI POTREBBE TENTARE DI CREARE L’ORO scriveva in alternativa il New York Times. A sua volta, il San Francisco Examiner mandò un inviato speciale che ritorno attonito e frastornato, scrivendo: Due scienziati della Università di California si sono attrezzati per infrangere l’atomo e indurre il rilascio di una notevole quantità di energia. Lavorando soltanto con un magnete di 2 tonnellate, gli scienziati, il professor Ernest O. Lawrence e Mr Stanley Livingston, dichiarano di essere stati in grado di penetrare all’interno del guscio esterno dell’atomo. Con un magnete di maggiore peso e dimensioni fisiche, essi sperano di frantumare completamente l’atomo attraverso un ultimo impatto da 25 milioni di volt. Quali meraviglie salteranno fuori da questi urti, soltanto il tempo sarà in grado di dircelo. Lawrence scrisse il modulo di richiesta per un brevetto del ciclotrone, che fu ricevuto dall’Ufficio apposito il 26 gennaio 1932. Io acclamo la scoperta del ciclotrone, scrisse nello stile arrogante che il protocollo per l’acquisizione del brevetto di invenzione forza a esprimersi l’inventore solitario. Vale la pena di sottolineare che il nome del collaboratore Stanley Livingston non era neppure menzionato. (Nuel Pharr Davis, Lawrence & Oppenheimer, Simon & Schuster, 1968) Il premio Nobel 1939 per la fisica va al ciclotrone. Ernest Orlando Lawrence è nato l’8 agosto 1901 a Canton, South Dakota. I suoi genitori, Carl Gustavus Lawrence e Gunda Jacobson erano figli di immigranti norvegesi. Il lavoro centrale di ricerca di Lawrence è stato in fisica nucleare, prima su fenomeni di ionizzazione, poi – a partire dal 1929 – sulla invenzione e il perfezionamento del ciclotrone, un apparato sperimentale per accelerare particelle nucleari a velocità assai elevate senza ricorrere all’uso di alti potenziali elettrici. Le particelle altamente energetiche venivano usate per bombardare gli atomi di vari elementi, disintegrando gli atomi stessi per formare, in alcuni casi, nuovi elementi totalmente sconosciuti in precedenza. In tal modo, sono stati scoperti centinaia di isotopi radioattivi di elementi già noti. Durante la seconda guerra mondiale, Lawrence ha fornito contributi vitali per lo sviluppo della bomba atomica, attraverso diversi incarichi ufficiali all’interno del Progetto Manhattan. Dopo la guerra, ha inoltre avuto un ruolo preminente nel tentativo di ottenere accordi internazionali per la sospensione dei test sugli ordigni nucleari.

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