Макмиллан (McMillan), Эдвин Маттисон

Американский физик Эдвин Маттисон Макмиллан родился в Редондо-Бич (штат Калифорния), в семье врача Эдвина Харбо Макмиллана и Анны Марии (Маттисон) Макмиллан. Семья вскоре переехала в Пасадену, где Макмиллан получил начальное и среднее образование. Занимаясь в средней школе в Пасадене, он посещал публичные лекции в Калифорнийском технологическом институте, где позднее специализировался по физике, получив в 1928 г. степень бакалавра, а на следующий год став магистром естественных наук. Докторская степень ему была присуждена в 1932 г. Принстонским университетом за диссертацию о молекулярных пучках. После этого он работал в Калифорнийском университете в Беркли в качестве стипендиата Государственного научно-исследовательского фонда. Когда в 1934 г. Эрнест О. Лоуренс основал радиационную лабораторию Лоуренса в Беркли, Макмиллан вошел в число ее сотрудников. За годы работы в лаборатории он внес значительный вклад в совершенствование технологии циклотрона, а также в ядерную физику и химию.

Изобретенный Лоуренсом циклотрон представляет собой ускоритель частиц, сообщающий протонам и ядрам атомов очень высокую энергию. В циклотроне, более компактном, чем линейные ускорители, используется магнитное поле, чтобы заставить частицы двигаться по изогнутому пути. Заряженные частицы, помещенные в центр камеры, ускоряются с помощью переменного электрического поля, имеющего частоту, совпадающую с частотой обращения этих частиц по своим орбитам. По мере возрастания скорости движения частиц увеличивается и диаметр их орбиты, период же обращения остается постоянным. Колебания электрического поля постепенно разгоняют движущиеся по спирали частицы до сообщения им очень высокой энергии.

В 1938 г., пытаясь создать новые химические элементы путем введения нейтронов в ядра урана, немецкие химики Отто Ган, Фриц Штрасман и Лизе Майтнер получили вместо этого расщепление (деление) ядер урана. Макмиллан провел на циклотроне радиационной лаборатории Лоуренса аналогичные опыты с целью изучения воздействия нейтронов на уран. В 1940 г. он и его сотрудник Филип Абельсон обнаружили, что некоторые из ядер атомов урана при бомбардировке нейтронами не подвергались расщеплению. Вместо этого они, как предсказывал шестью годами ранее Энрико Ферми, распадались, образуя новый элемент, ядро атома которого содержало 93 протона и электрона. Этот элемент, названный ими нептунием по имени планеты Нептун, стал первым синтезированным трансурановым (более тяжелым, чем уран) элементом. Исследование, начатое Макмилланом, продолжили Гленн Т. Сиборг и его коллеги, которые в 1941 г. открыли плутоний.

В время второй мировой войны Макмиллан, выполняя заказы военного ведомства, занимался гидролокаторами, микроволновыми радиолокационными установками (радарами) и ядерным оружием, работая в Беркли, в Массачусетском технологическом институте (1940 – 1941), в лаборатории радио- и звуковой связи военно-морских сил США в Сан-Диего (1941 – 1942) и над осуществлением Манхэттенского проекта в Лос-Аламосе (1942 – 1945). После войны он получил место профессора физики в Калифорнийском университете в Беркли, а в 1954 г. стал заместителем директора радиационной лаборатории Лоуренса. С 1958 г. до ухода в отставку в 1973 г. он возглавлял эту лабораторию, которая с 1971 г. стала называться лабораторией Лоуренса в Беркли.

В 1945 г. Макмиллан занялся проблемой, касающейся циклотрона. Орбитальный период частицы в циклотроне остается постоянным только в том случае, если масса частицы остается постоянной. В соответствии с теорией относительности Альберта Эйнштейна, когда скорость движущегося тела приближается к скорости света, масса тела возрастает. Отсюда следует, что кинетическая энергия тела может достигать очень высоких уровней без значительного увеличения его скорости, поскольку большая часть энергии идет на увеличение массы тела. Однако по мере того, как масса находящейся на орбите частицы возрастает, требуется все больше времени для полного оборота. Таким образом, ее ритм перестает совпадать с ритмом колебательных электрических импульсов в циклотроне. Предложенное Макмилланом решение этой проблемы заключалось в изменении силы магнитного поля или частоты электрических импульсов так, чтобы они соответствовали уменьшающейся скорости движущихся по орбите частиц, которые заставляют двигаться по кругу с постоянным радиусом, а не по спирали, как в циклотроне. (Макмиллан не знал – поскольку советские научные журналы не распространялись в США во время второй мировой войны – о том, что годом ранее русский физик Владимир И. Векслер выдвинул точно такую же концепцию.) Энергия, которой можно достичь в таких ускорителях, названных синхротронами, ограничена только диаметром ускорителя и силой магнитного поля, создаваемого для того, чтобы удерживать внутри него получающие энергию частицы.

В 1951 г. Макмиллану совместно с Сиборгом была присуждена Нобелевская премия по химии «за открытия в области химии трансурановых элементов». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук А.Ф. Вестгрен приветствовал Макмиллана как ученого, который установил существование трансурановых элементов: «Вы были первым, кто преуспел в этом деле. Своими достижениями вы открыли область научных исследований, в которой происходят огромные, имеющие фундаментальное значение для науки и техники завоевания. Своей более поздней работой над проблемой ускорителя вы также активно способствовали дальнейшему прогрессу в этой области химии».

После получения Нобелевской премии Макмиллан продолжал активно заниматься научно-исследовательской деятельностью вплоть до своего ухода в отставку из Калифорнийского университета в Беркли в 1973 г. В 1941 г. Макмиллан женился на Элси Блюмер, дочери декана Йельской медицинской школы. У супругов родились дочь и два сына.

Помимо Нобелевской премии, Макмиллан был удостоен наград за научные достижения Американской научно-исследовательской корпорации (1951) и «За мирный атом» Фонда «Форд моторе компани» (1963). Ученый – член американской Национальной академии наук, Американского физического общества, Американской академии наук и искусств и Американского философского общества. Он состоит во многих организациях, занимающихся политикой в области науки и физикой больших энергий, включая Комиссию по атомной энергии США, «Рэнд корпорейшн», Международный союз за чистую и прикладную физику и Станфордский центр линейных ускорителей.