Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (I): Nace el ciclotrón

«Lawrence siempre será recordado como el inventor del ciclotrón, pero debería ser recordado como el inventor de la manera de hacer ciencia moderna». Luis Alvarez

Ernest Orlando Lawrence nació el 8 de agosto de 1901 en Cantón, Dakota del sur. Sus padres Gunda Jacobson y Carl Lawrence se habían casado un año antes y, por aquel entonces, enseñaban en una academia luterana local.  Inculcaron a sus hijos el valor de la responsabilidad, el trabajo duro y la educación. La elección de su nombre parece provenir de una tradición Noruega según la cual se ponía a los niños los nombres de los abuelos. En su caso eran Erik y Oles, que el padre juzgó demasiado noruegos y modificó hasta dejarlos irreconocibles.

Desde pequeño mostró una curiosidad incesante y, según afirmaba su madre, nunca abandonó el entusiasmo juvenil que hacía que tomase la vida como una aventura continua llena de emociones. Con su vecino y amigo Merle Tuve, construyeron a los trece años una estación de radio de onda corta y la experiencia obtenida dio importantes frutos en la etapa de madurez. Lawrence, por su parte, aplicó la técnica de radio de onda corta en su acelerador de partículas de alta energía, mientras que Tuve, junto a Breit, fue el primero en reflejar impulsos de radio de onda corta en la ionosfera, lo que condujo directamente al desarrollo del radar. En los años treinta, Lawrence y Tuve lideraron sendos equipos de físicos nucleares, lo que les llevó a recuperar una rivalidad de adolescencia que rindió grandes beneficios al desarrollo de este campo.

Lawrence ingresó en la Universidad St. Olaf de Northfield, Minnesota, a los dieciséis años, y un año más tarde, se trasladó a la universidad de Dakota del Sur para obtener el grado. Consiguió el dinero necesario para ir a la universidad vendiendo artículos de cocina a las mujeres de los agricultores de los condados circundantes. Su intención era estudiar medicina pero finalmente se inclinó por la física gracias a los consejos del profesor de ingeniería eléctrica que le hacía de tutor: Dean Lewis E. Akeley, que vio en sus pinitos adolescentes con la radio una clara inclinación por esta materia. Una vez conseguido el bachiller con altos honores en 1922, ingresó en la universidad de Minnesota como estudiante de postgrado. En la pared de la oficina de Lawrence, el cuadro de Dean Akeley siempre estuvo en el lugar de honor entre las fotografías de sus héroes científicos: Arthur Compton, Niels Bohr y Ernest Rutherford.

En Minnesota, cursó estudios de física avanzada bajo la dirección de William Francis Gray Swann, al cual siguió las dos veces que cambió de universidad. Primero se trasladó a Chicago y, posteriormente, a Yale, donde Lawrence se doctoró en física en 1925 y permaneció tres años más, primero como investigador nacional (national research fellow) y, finalmente, como profesor ayudante. En esa época conoció a Mary Blummer, hija del Dr. George Blumer, Decano de la Facultad de Medicina de Yale, que años más tarde se convertiría en su mujer y con quien tendría seis hijos: Eric, Margaret, María, Robert, Barbara y Susan. Molly Lawrence se haría famosa entre los colegas de Ernest por crear un ambiente familiar cálido y hospitalario.

Durante este periodo en Yale, sus compañeros consideraban que Lawrence sentía una cierta aversión hacia el pensamiento matemático. Contaba con una inusual intuición para abordar los fenómenos físicos, de manera que cuando le presentaban nuevas ideas reclamaba que le ahorrasen las ecuaciones matemáticas y le explicasen la física del problema. Incluso personas cercanas a él pensaban que era un analfabeto matemático cuando en realidad, gracias al aprendizaje con el profesor Swann, conservaba una gran pericia en las matemáticas empleadas en electricidad y  magnetismo. Ésta fue la única herencia de sus profesores, ya que tanto lo que descubrió como el modo en que lo hizo provinieron únicamente de su propio talento y sagacidad.

En 1928, tomó una importante decisión. Abandonó su posición en una universidad rica y distinguida como la de Yale para ser profesor asociado en la pequeña facultad de Berkeley cuyo departamento de física era de reciente creación. Estaba ansioso por hacerse cargo del nuevo departamento y participar en su desarrollo. Además, sabía que el traslado suponía una disminución de horas de docencia respecto a un incremento en el tiempo dedicado a la investigación, que era lo que verdaderamente le apasionaba. La elección fue acertada y en tres años, se convirtió en el catedrático más joven de Berkeley.

Valoraba por encima de todo la honestidad en la investigación científica y examinaba de forma crítica cualquier resultado científico, con independencia de su origen. Aplicaba el mismo criterio crítico para revisar su obra, la de sus colaboradores, así como la de los científicos de otros laboratorios. Este comportamiento hacía que los visitantes, en ocasiones, se formasen una primera impresión negativa de Lawrence creyendo que era excesivamente crítico con los resultados experimentales de los demás. Pero pronto se daban cuenta de que empleaba el mismo vigor para animar a sus jóvenes alumnos a criticar su propio trabajo, ya que para él la crítica no era una cuestión personal y la hacía o la recibía sin ningún sentimiento de hostilidad. Pensaba que una comunidad científica que no alentase a sus miembros a criticar los resultados de los demás de una manera abierta degeneraría rápidamente en una asociación de diletantes.

Poco antes de abandonar Yale, había tenido una experiencia que sólo conocían sus más allegados y que fue importante en su desarrollo científico. Aplicando su experiencia en fotoelectricidad y en el tubo de rayos catódicos diseñó un sistema electrónico de televisión sin disco giratorio (disco de Nipkow). Creyéndose el primero en descubrirlo creó un modelo rudimentario y contactó con un amigo de los laboratorios de Bell Telephone que le invitó a hablar sobre su hallazgo. Por desgracia, una vez en los laboratorios, vio que estaba lleno de televisores electrónicos mucho mejores de lo que él había imaginado y se dio cuenta de hasta qué punto un buen laboratorio industrial podía estar por delante de los trabajos de investigación individuales. Eso le hizo reflexionar y decidió no dedicar más esfuerzos a competir en el área comercial. Mantuvo esta resolución hasta la última década de su vida, en la que aportó grandes contribuciones al problema de la televisión en color desarrollando el “Tubo de Lawrence” y publicando docenas de patentes.

Llegados a este punto, es interesante analizar la actitud de Ernest Lawrence hacia las patentes y las recompensas económicas de las mismas. El Ciclotrón y las otras invenciones de Lawrence de la época de preguerra fueron patentadas a su nombre y asignadas por él a la Corporación de Investigación que nunca pidió royalties. Lawrence animó y ayudó a los científicos en todo el mundo a construir ciclotrones. Legalmente, fue el inventor del separador de isótopos Calutrón, pero asignó la patente al gobierno por el valor nominal de un dólar. Respecto al proyecto de la bomba atómica, varios de de sus colegas recibieron grandes sumas de dinero del gobierno por la violación de sus patentes, pero Lawrence nunca permitió que su nombre fuese utilizado en ningún litigio y por lo tanto, no recibió ninguna compensación más allá de su salario. Creía que era desaconsejable patentar los inventos científicos o desarrollos para provecho personal y siempre apoyó la necesidad de trabajar en estrecha colaboración en un ambiente de libre intercambio de ideas. Le preocupaba que el anhelo por conseguir patentes repercutiese en el progreso científico. Tal y como expresaba, una persona no hablaría de sus ideas ante alguien que pudiese ampliarlas y lucrarse a posteriori con una patente.

Su nombre está tan ligado al campo de la física nuclear que a menudo se olvidan las importantes contribuciones que realizó en otras ramas de la física antes de inventar el ciclotrón. Para valorar su aportación en estos otros campos contamos con la literatura de la época así como con las múltiples referencias a sus investigaciones por parte de sus compañeros. Sus trabajos en fotoelectricidad, que publicó junto a sus alumnos una vez trasladado a California, fueron citados en el tratado de fotoelectrónica de Hughes y Du-Bridge “Photoelectric Phenomena” que se publicó en 1932, poco después de que Lawrence hubiese dejado este campo para concentrar sus esfuerzos en el ciclotrón. El número de apariciones en los diferentes capítulos hace evidente el gran alcance que tuvieron sus investigaciones en los pocos años que se dedicó a ellas.

Uno de sus colaboradores  en sus estudios sobre fotoelectricidad fue Beams de Jesse y, como resultado de esta colaboración, se convirtieron en grandes amigos y pasaron un verano recorriendo Europa. Lawrence, con frecuencia, recordaba con nostalgia este período de su vida, en el que podía viajar libre de las responsabilidades que más adelante marcaron sus giras en el extranjero.

VIAJE AL CENTRO DEL NÚCLEO

Ernest Rutherford

En el período en que Ernest Lawrence se trasladó de New Haven a Berkeley, se respiraba un ambiente de entusiasmo entre los físicos por las noticias de los logros obtenidos en los experimentos de física nuclear del laboratorio Cavendish de Lord Rutherford en Cambridge. La técnica empleada para profundizar en la estructura de la materia y descubrir el núcleo atómico había sido el bombardeo de una lámina de oro con partículas alfa provenientes de la desintegración del radio [artículo de Cuentos Cuánticos]. Estaba claro que una parte importante del futuro de la física residía en el estudio de las reacciones nucleares y, si no se dedicaron a ello más científicos, fue por las complejas condiciones experimentales requeridas. Por aquel entonces las partículas alfa eran el único medio de que se disponía para perturbar de manera controlada la materia y para su producción se estaba a merced de elementos que fuesen radiactivos de forma natural. Esta limitación se hizo más notoria cuando Rutherford abrió el campo de las transformaciones nucleares mediante la conversión del nitrógeno en oxígeno mediante la absorción de una partícula alfa. Las fuentes radiactivas de que se disponía eran demasiado débiles para seguir penetrando en los misterios de los núcleos. Por cada gramo de radio se emitían 37000 millones de partículas alfa por segundo, de las cuales sólo una de cada 100000 producía una transformación. Por otra parte, las energías de las partículas alfa apenas eran suficientes para superar la repulsión eléctrica de los núcleos a los que se dirigían. El grupo de Rutherford en Cavendish descubrió que cuanto más rápidamente viajaban las partículas alfa, más transformaciones generaban y, por tanto, era urgente conseguir máquinas que aumentasen el número y velocidad de las partículas. Y como estaban cargadas, una forma era someterlas a fuertes diferencias de potencial. De esta manera, empezaba la carrera por la producción de esos proyectiles de alta energía, las “partículas nucleares de millones de voltios.»

En la carrera por descubrir los secretos de la materia, Robert Van de Graaff, mientras hacía un postdoctorado en Princeton, concibió un dispositivo para generar un alto voltaje partiendo de simples  principios de electrostática. En su acelerador electrostático una correa de material aislante llevaba las cargas eléctricas a partir de un punto de origen al interior de una gran esfera conductora hueca, aislada. Asimismo, otra correa transportaba cargas de polaridad opuesta a otra esfera. Las esferas acumulaban un potencial creciente hasta que el campo eléctrico ionizaba el aire y saltaba una chispa a través del mismo. Antes de 1931 Van de Graaff pudo cargar una esfera a 750 kilovoltios, generando una diferencia de potencial de 1,5  Megavolts entre las dos esferas de polaridad opuesta. El generador electrostático tenía sus limitaciones ya que, para acelerar partículas a energías de unos GeV (10⁹ eV), las tensiones puestas en juego eran de unos mil millones de voltios. Con estas tensiones, el aire se ioniza, se vuelve conductor y se produce un enorme chispazo quedescarga los condensadores y puede destruirlos. Lawrence, que había dedicado muchas horas al estudio de las descargas de chispa con el obturador electro-óptico basado en el efecto Kerr sentía mucho respeto por ese mecanismo como limitador de tensión. Siguió el trabajo inicial de Van de Graaff pero no entró en el “negocio nuclear” debido a cierta reticencia respecto los caminos que se estaban tomando para crear los proyectiles energéticos.

Acelerador de Robert Van de Graaff

Al mismo tiempo, en el laboratorio de Cavendish en Cambridge, los ingleses John Cockcroft y Ernest Walton, discípulos de Rutherford, construyeron una variante de este acelerador sustituyendo la correa por un sistema de condensadores conectados con diodos rectificadores que actuaban como interruptores. Abriendo y cerrando los interruptores en la secuencia apropiada se podía alcanzar un potencial de 800 kilovoltios a partir de un transformador de 200 kilovoltios y utilizaron este potencial para acelerar protones en un tubo de vacío de 2,40 metros de largo. En 1932 bombardearon un blanco de litio con protones acelerados a 0.125 MeV, observando la formación de dos partículas alfa. Un equipo soviético en Jarkov encontró el mismo resultado varios meses más tarde.

Acelerador de John Cockcroft y Ernest Walton

Unos años antes, al comienzo de su licenciatura en Berkeley, Lawrence pasaba muchas de sus tardes en la biblioteca. Y fue allí fue donde, en la primavera de 1929, dio con un artículo de la revista alemana para ingenieros eléctricos Archiv für Elektrotechnik que le llamó poderosamente la atención. Su alemán, al igual que el francés, dejaba mucho que desear pero los diagramas eran suficientemente explícitos para poder entender la parte fundamental de su contenido. El autor era el ingeniero noruego  Rolf Wideröe y el título podría traducirse como «Sobre un nuevo principio para la producción de voltajes más altos». Una de las ilustraciones mostraba el dispositivo que Wideröe había empleado para acelerar los iones de potasio a partir de un esquema propuesto anteriormente por Gustav Ising en Suecia. En su diseño, un potencial de 25.000 voltios alternaba de positivo a negativo con frecuencias de radiodifusión. Los iones eran atraídos al interior de un electrodo cilíndrico recto mediante un potencial negativo y, al emerger del tubo, eran impulsados desde el otro extremo por un potencial positivo. Se podrían añadir más cilindros, cada uno más largo que el anterior, de manera que fuese incrementándose la velocidad de las partículas y se lograsen energías más altas.

Acelerador de Rolf Wideröe

Dadas las dificultades con el idioma, Lawrence pensó que le costaría más traducir el documento que deducir él mismo sus resultados a partir de la información extraída de las imágenes. Y estaba en lo cierto, ya que tuvo la satisfacción de llegar de forma independiente a muchas de las conclusiones de Wideröe. Y no se quedo ahí, sino que fue más allá y, tras el análisis del esquema, le asaltó “la idea” de  curvar la trayectoria de las partículas mediante un campo magnético y convertir así el acelerador lineal en un acelerador en espiral. El ciclotrón acababa de ser engendrado. (Patente del ciclotrón)

Pensó que el campo magnético debería tener alguna relación con el radio de la órbita, de manera que el tiempo empleado por un ión en completar una revolución permaneciese constante a medida que el radio aumentase.  Pero se equivocaba. Mediante un  cálculo sencillo pudo demostrar que no era necesaria ninguna variación radial del campo magnético ya que los iones circulan con una frecuencia constante, independientemente de su energía. Es decir, que los iones lentos en los pequeños círculos tardan el mismo tiempo en dar la vuelta que los iones rápidos en los círculos mayores. Veamos porqué.

La fuerza magnética que actúa sobre una partícula cargada sometida a un campo magnético H perpendicular a su dirección de desplazamiento, tiene un módulo igual a qvH/c, donde q es la carga y c la velocidad de la luz. En el caso del ciclotrón esta fuerza proporciona la fuerza centrípeta necesaria para obtener el movimiento circular: mv²/r, donde m es la masa de la partícula, v su velocidad y r el radio de la órbita. Si se igualan ambas expresiones se obtiene lo que se conoce como la ecuación de ciclotrón: v/r = qH/mc

Sabiendo que la velocidad angular ω es v/r y que puede expresarse en términos de frecuencia de rotación f de la forma  2πf, obtenemos que: f = v/2π r = qH/2πmc lo que indica que la frecuencia de rotación es independiente del radio de la órbita y constante para una partícula y un campo magnético dados.

Así pues, el método circular permitiría que un campo eléctrico alterno de frecuencia constante acelerara las partículas a energías cada vez más altas. Afortunadamente para Lawrence, en la década de 1930 ya se podía disponer de componentes electrónicos apropiados para la banda de frecuencia de 10 MHz (valor que se obtiene al sustituir en la ecuación del ciclotrón el valor de e/m para el ion de hidrógeno molecular). Antes de seguir, debemos precisar que la ecuación de ciclotrón tiene sus limitaciones ya que únicamente es válida en el caso de que las velocidades sean suficientemente bajas como para que no aparezcan efectos relativistas, en cuyo caso la frecuencia ya no es independiente del radio y el diseño del acelerador se complica.

La parte interna del ciclotrón está formada por dos cámaras metálicas de forma semicilíndrica huecas D1 y D2 llamadas “dees” (por su similitud con la letra D) separadas la una de la otra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular al plano de las “dees”. Ambas están conectadas a los bornes de un circuito eléctrico que crea una diferencia de potencial alterna de frecuencia f.

Inicialmente, la partícula cargada q emitida por la fuente de iones (punto azul) entra en D1 con velocidad v1 debido a la aceleración que le produce al campo eléctrico existente entre las dos des y bajo la acción del campo magnético describe una circunferencia de radio r1. Al salir de D1 es acelerada entre las dos «dees» debido a la inversión del campo eléctrico y entra en D2 con una velocidad v2 > v1 describiendo una circunferencia de radio r2 > r1, y así sucesivamente hasta ser expulsada por un sistema de deflexión situado en la periferia de una «de»  

Lawrence percibió inmediatamente la importancia de la idea y decidió traer a David Sloan a Berkeley. Era un joven experto en electrónica de los Laboratorios de General Electric en Schenectady con experiencia en el trabajo con altas tensiones. Mientras Lawrence construía el ciclotrón, Sloan se había dedicado al acelerador lineal de Wideröe. Finalmente el aparato de Sloan, en mayo de 1931, llegó a acelerar iones de mercurio a  energías de 1 millón de voltios. Este trabajo proporcionó a Lawrence y sus estudiantes conocimientos que más tarde se aplicarían a los ciclotrones. Sloan, sin embargo, dejó el acelerador lineal a un lado para desarrollar un transformador resonante, que sirvió para producir una potente fuente de rayos X que fue de gran interés para hospitales. Seguramente, una de las mayores satisfacciones de Ernest Lawrence fue la curación de su madre mediante un tratamiento de radioterapia con la máquina de rayos X «Sloan-Lawrence» de 1 millón voltios de la Facultad de Medicina de la Universidad de California, después de que muchos especialistas dijesen que tenía un tumor inoperable. En el momento de la muerte de su hijo, ella todavía vivía en Berkeley, veintiún años después de que el Dr. Robert Stone la tratase.

El primer acelerador circular de 11 cm de diámetro, usaba un potencial de 1800 V para acelerar iones de hidrógeno a energías de 80 keV y sirvió para verificar el principio de funcionamiento. Apenas un año más tarde se alcanzaba una energía de 1 MeV con un ciclotrón de 28 cm.

El empeño de Lawrence en hacer realidad el ciclotrón, que muchos físicos habían ridiculizado por impracticable, le llevó a resolver importantes obstáculos técnicos por medio de descubrimientos experimentales. Por un lado, se requería un alto grado de vacío para impedir que las partículas chocasen con moléculas del gas residual, apartándose de su trayectoria. Así mismo debía evitarse que se desviasen al cruzar el espacio entre electrodos o, lo que sería un problema mayor, que abandonasen el plano horizontal de sus órbitas y colisionasen con la parte superior o inferior de los electrodos. Lawrence y sus compañeros de trabajo, M. Stanley Livingston y David Sloan, desarrollaron y construyeron sus propias bombas de vacío y válvulas osciladoras de alta potencia, porque no se hallaban disponibles en el mercado a un precio asequible. También hicieron grandes avances en el incremento de la potencia de los osciladores de radiofrecuencia así como en el magnetismo de los imanes.

Lawrence es conocido por la aplicación de la ecuación del ciclotrón a la física nuclear, pero también hizo una contribución destacada a la física de partículas al emplearla para idear el método más preciso de medición de la carga específica, e/m, del electrón. Este procedimiento fue empleado por Frank Dunnington, uno de sus estudiantes, y durante muchos años fue la medida más exacta de esta constante fundamental.

La primera demostración y puesta de largo del principio de resonancia del ciclotrón la hicieron Lawrence y Edlefson en la reunión de la Academia Nacional de Ciencias de Berkeley, en otoño de 1930. El aparato original está expuesto de forma permanente en el Laboratorio de Radiación Lawrence.

A partir de este momento, el Grupo de Lawrence inició la carrera por la búsqueda de mayores ciclotrones que produjesen partículas con mayores energías. En 1939, Lawrence se convirtió en el primer profesor de una universidad pública en ganar un premio Nobel así como la primera persona en hacerlo por un trabajo realizado enteramente en el campus de la Universidad de California. Ganó el premio de física en reconocimiento por su invención del ciclotrón, su desarrollo y los resultados que obtuvo, especialmente con referencia a la producción de elementos artificialmente radiactivos.

Pero las aventuras del Grupo del Ciclotrón nos esperan en el siguiente capítulo…. Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (II): Los muchachos del Rad-Lab 

BIBLIOGRAFÍA

“Lawrence and His Laboratory: A Historian’s View of the Lawrence Years” J. L. Heilbron, Robert W. Seidel, y Bruce R. Wheaton.

“Early history of the lab” Glenn Seaborg

 “Ernesto Orlando Lawrence” Luis W. Alvarez

Los artículos de «Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia» (I y II) han sido galardonados con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica