Edwin Mattison McMillan (18 de septiembre de 1907 – 7 de septiembre de 1991) fue un físico estadounidense a quien se le atribuye ser el primero en producir un elemento transuránico , el neptunio . Por ello, compartió el Premio Nobel de Química de 1951 con Glenn Seaborg .
Licenciado en el Instituto Tecnológico de California , obtuvo su doctorado en la Universidad de Princeton en 1933 y se unió al Laboratorio de Radiación de Berkeley , donde descubrió el oxígeno-15 y el berilio-10 . Durante la Segunda Guerra Mundial , trabajó en el radar de microondas en el Laboratorio de Radiación del MIT y luego en el sonar en el Laboratorio de Radio y Sonido de la Marina . En 1942 se unió al Proyecto Manhattan , el esfuerzo en tiempos de guerra para crear bombas atómicas , y ayudó a establecer su Laboratorio de Los Álamos, donde se diseñaron las bombas. Dirigió equipos que trabajaban en el diseño de armas nucleares de tipo cañón y también participó en el desarrollo del arma nuclear de tipo implosión .
McMillan inventó el sincrotrón junto con Vladimir Veksler y, después de la guerra, regresó al Laboratorio de Radiación de Berkeley para construirlo. Fue nombrado director asociado del Laboratorio de Radiación en 1954 y ascendido a subdirector en 1958. Se convirtió en director tras la muerte del fundador del laboratorio, Ernest Lawrence, más tarde ese año, y siguió siendo director hasta su jubilación en 1973.
McMillan nació en Redondo Beach, California , el 18 de septiembre de 1907, hijo de Edwin Harbaugh McMillan y su esposa Anna Marie McMillan de soltera Mattison. [1] Tenía una hermana menor, Catherine Helen, cuyo hijo John Clauser (es decir, el sobrino de McMillan) ganó el Premio Nobel de Física en 2022.
El padre de McMillan era médico , al igual que el hermano gemelo de su padre y tres de los hermanos de su madre. El 18 de octubre de 1908, la familia se mudó a Pasadena, California , donde asistió a la escuela primaria McKinley de 1913 a 1918, a la escuela Grant de 1918 a 1920 y luego a la escuela secundaria de Pasadena , de la que se graduó en 1924. [2]
El Instituto Tecnológico de California (Caltech) estaba a sólo una milla de su casa, y asistió a algunas conferencias públicas allí. [3] Ingresó en Caltech en 1924. Realizó un proyecto de investigación con Linus Pauling como estudiante de pregrado y recibió su licenciatura en Ciencias en 1928 y su maestría en Ciencias en 1929, [1] escribiendo una tesis inédita sobre "Un método mejorado para la determinación del contenido de radio de las rocas". [4] Luego obtuvo su Doctorado en Filosofía de la Universidad de Princeton en 1933, escribiendo su tesis sobre la "Deflexión de un haz de moléculas de HCl en un campo eléctrico no homogéneo" bajo la supervisión de Edward Condon . [5] [6]
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En 1932, McMillan recibió una beca del Consejo Nacional de Investigación , lo que le permitió asistir a una universidad de su elección para realizar estudios posdoctorales. Una vez completado su doctorado, aunque no fue aceptado formalmente hasta el 12 de enero de 1933, [2] aceptó una oferta de Ernest Lawrence en la Universidad de California, Berkeley , para unirse al Laboratorio de Radiación de Berkeley , que Lawrence había fundado el año anterior. [7] El trabajo inicial de McMillan allí implicó intentar medir el momento magnético del protón , pero Otto Stern e Immanuel Estermann pudieron llevar a cabo estas mediciones primero. [2] [8]
El foco principal del laboratorio de Radiación en ese momento era el desarrollo del ciclotrón , y McMillan, quien fue designado para la facultad en Berkeley como instructor en 1935, pronto se involucró en el esfuerzo. Su habilidad con la instrumentación pasó a primer plano, y contribuyó a mejoras en el ciclotrón. En particular, ayudó a desarrollar el proceso de " calce ", ajustando el ciclotrón para producir un campo magnético homogéneo. [6] Trabajando con M. Stanley Livingston , descubrió el oxígeno-15 , un isótopo del oxígeno que emite positrones . Para producirlo, bombardearon gas nitrógeno con deuterones . Este se mezcló con hidrógeno y oxígeno para producir agua, que luego se recogió con cloruro de calcio higroscópico . Se encontró radiactividad concentrada en él, lo que demostró que estaba en el oxígeno. A esto le siguió una investigación de la absorción de rayos gamma producidos al bombardear flúor con protones. [8]
En 1935, McMillan, Lawrence y Robert Thornton llevaron a cabo experimentos de ciclotrón con haces de deuterones que produjeron una serie de resultados inesperados. Los deuterones se fusionaron con un núcleo objetivo , transmutando el objetivo en un isótopo más pesado mientras expulsaban un protón. Sus experimentos indicaron una interacción nuclear a energías más bajas de las que se esperarían a partir de un simple cálculo de la barrera de Coulomb entre un deuterón y un núcleo objetivo. El físico teórico de Berkeley Robert Oppenheimer y su estudiante de posgrado Melba Phillips desarrollaron el proceso de Oppenheimer-Phillips para explicar el fenómeno. [9] McMillan se convirtió en profesor asistente en 1936 y profesor asociado en 1941. [1] Con Samuel Ruben , también descubrió el isótopo berilio-10 en 1940. [6] Esto fue interesante y difícil de aislar debido a su vida media extraordinariamente larga , alrededor de 1,39 millones de años. [10]
Tras el descubrimiento de la fisión nuclear en el uranio por Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1939, McMillan comenzó a experimentar con uranio. Lo bombardeó con neutrones producidos en el ciclotrón de 37 pulgadas (94 cm) del Laboratorio de Radiación mediante el bombardeo de berilio con deuterones. Además de los productos de fisión nuclear informados por Hahn y Strassmann, detectaron dos isótopos radiactivos inusuales, uno con una vida media de aproximadamente 2,3 días y el otro con uno de alrededor de 23 minutos. McMillan identificó el isótopo de vida corta como uranio-239 , que había sido informado por Hahn y Strassmann. McMillan sospechó que el otro era un isótopo de un elemento nuevo, no descubierto, con un número atómico de 93. [11]
En ese momento se creía que el elemento 93 tendría una química similar al renio , por lo que comenzó a trabajar con Emilio Segrè , un experto en ese elemento desde su descubrimiento de su homólogo tecnecio . Ambos científicos comenzaron su trabajo utilizando la teoría predominante, pero Segrè determinó rápidamente que la muestra de McMillan no era en absoluto similar al renio. En cambio, cuando lo hizo reaccionar con fluoruro de hidrógeno (HF) con un fuerte agente oxidante presente, se comportó como miembros de los elementos de tierras raras . [12] Dado que estos comprenden un gran porcentaje de productos de fisión, Segrè y McMillan decidieron que la vida media debe haber sido simplemente otro producto de fisión, titulando el artículo "Una búsqueda infructuosa de elementos transuránicos". [13]
McMillan se dio cuenta de que su trabajo de 1939 con Segrè no había logrado probar las reacciones químicas de la fuente radiactiva con el suficiente rigor. En un nuevo experimento, McMillan intentó someter la sustancia desconocida a HF en presencia de un agente reductor , algo que no había hecho antes. Esta reacción dio como resultado que la muestra precipitara con el HF, una acción que descartó definitivamente la posibilidad de que la sustancia desconocida fuera una tierra rara. En mayo de 1940, Philip Abelson del Instituto Carnegie en Washington, DC , que también había intentado de forma independiente separar el isótopo con la vida media de 2,3 días, visitó Berkeley para unas cortas vacaciones, y comenzaron a colaborar. Abelson observó que el isótopo con la vida media de 2,3 días no tenía una química como ningún elemento conocido, sino que era más similar al uranio que a una tierra rara. Esto permitió aislar la fuente y más tarde, en 1945, condujo a la clasificación de la serie de los actínidos . Como paso final, McMillan y Abelson prepararon una muestra mucho más grande de uranio bombardeado que tenía una prominente vida media de 23 minutos a partir del 239 U y demostraron de manera concluyente que la vida media desconocida de 2,3 días aumentaba en fuerza en conjunto con una disminución en la actividad de 23 minutos a través de la siguiente reacción:
Esto demostró que la fuente radiactiva desconocida se originó a partir de la desintegración del uranio y, junto con la observación previa de que la fuente era químicamente diferente de todos los elementos conocidos, demostró más allá de toda duda que se había descubierto un nuevo elemento. McMillan y Abelson publicaron sus resultados en un artículo titulado Elemento radiactivo 93 en la revista Physical Review el 27 de mayo de 1940. [12] [14] No propusieron un nombre para el elemento en el artículo, pero pronto se decidieron por "neptunio", ya que el uranio había sido nombrado en honor al planeta Urano , y Neptuno es el siguiente planeta más allá en nuestro sistema solar. [15] McMillan partió repentinamente en este punto para el trabajo relacionado con la guerra, dejando a Glenn Seaborg para seguir esta línea de investigación y descubrir el segundo elemento transuránico, el plutonio . En 1951, McMillan compartió el Premio Nobel de Química con Seaborg "por sus descubrimientos en la química de los elementos transuránicos". [16]
La abrupta salida de McMillan fue causada por el estallido de la Segunda Guerra Mundial en Europa. En noviembre de 1940, comenzó a trabajar en el Laboratorio de Radiación del MIT en Cambridge, Massachusetts , donde participó en el desarrollo y prueba del radar de microondas aerotransportado durante la Segunda Guerra Mundial . [7] Realizó pruebas en abril de 1941 con el radar operando desde un viejo bombardero mediano Douglas B-18 Bolo . Volando sobre la Base Naval Submarina de New London con Luis Walter Alvarez y el Mariscal Jefe del Aire Hugh Dowding , demostraron que el radar era capaz de detectar la torre de mando de un submarino parcialmente sumergido. [17] McMillan se casó con Elsie Walford Blumer en New Haven, Connecticut , el 7 de junio de 1941. [18] [17] Su padre era George Blumer, decano emérito de la Escuela de Medicina de Yale . [1] Su hermana Mary era la esposa de Lawrence. [19] Los McMillan tuvieron tres hijos: Ann Bradford, David Mattison y Stephen Walker. [1] [20]
En agosto de 1941, McMillan se incorporó al Laboratorio de Radio y Sonido de la Marina, cerca de San Diego, donde trabajó en un dispositivo llamado poliscopio. La idea, que surgió de Lawrence, era utilizar un sonar para crear una imagen visual del agua circundante. Esto resultó ser mucho más difícil que hacerlo con un radar, debido a los objetos en el agua y a las variaciones en la temperatura del agua que causaban variaciones en la velocidad del sonido. El poliscopio resultó poco práctico y fue abandonado. Sin embargo, también desarrolló un dispositivo de entrenamiento con sonar para submarinistas, por el que recibió una patente. [17] [21] [15]
Oppenheimer reclutó a McMillan para unirse al Proyecto Manhattan , el esfuerzo en tiempos de guerra para crear bombas atómicas , en septiembre de 1942. Inicialmente, viajaba de ida y vuelta entre San Diego, donde estaba su familia, y Berkeley. [17] En noviembre acompañó a Oppenheimer en un viaje a Nuevo México en el que se seleccionó la Escuela Rancho Los Álamos como el sitio del laboratorio de investigación de armas del proyecto, que se convirtió en el Laboratorio Los Álamos . [22] Con Oppenheimer y John H. Manley , elaboró las especificaciones para los edificios técnicos del nuevo laboratorio. [23] Reclutó personal para el laboratorio, incluidos Richard Feynman y Robert R. Wilson , estableció el área de prueba conocida como Anchor Ranch y recorrió el país en busca de equipo técnico, desde máquinas herramienta hasta un ciclotrón. [24]
A medida que el laboratorio fue tomando forma, McMillan se convirtió en subdirector del proyecto de armas nucleares de tipo cañón bajo el mando del capitán de la Armada William S. Parsons , un experto en artillería. [24] El cañón de plutonio, cuyo nombre en código era Thin Man , [25] necesitaba una velocidad inicial de al menos 3000 pies (910 m) por segundo, que esperaban conseguir con un cañón antiaéreo de 3 pulgadas modificado de la Armada . La alternativa era construir un arma nuclear de tipo implosión . McMillan se interesó desde el principio en esto, al observar las pruebas de este concepto realizadas por Seth Neddermeyer . Los resultados no fueron alentadores. Las explosiones simples daban como resultado formas distorsionadas. [26] John von Neumann analizó el programa de implosión en septiembre de 1943 y propuso una solución radical que implicaba lentes explosivas . Esto requeriría experiencia en explosivos, y McMillan instó a Oppenheimer a que incorporara a George Kistiakowsky . [27] Kistiakowsky se unió al laboratorio el 16 de febrero de 1944, y la División E (Explosivos) de Parsons se dividió en dos, con McMillan como adjunto para el cañón y Kistiakowsky como adjunto para la implosión. [28]
En abril de 1944, McMillan recibió noticias inquietantes y se dirigió al cañón Pajarito para reunirse con Segrè. El grupo de Segrè había probado muestras de plutonio generado en los reactores nucleares del Proyecto Manhattan y descubrió que contenían cantidades de plutonio-240 , un isótopo que causaba fisión espontánea, lo que hacía que Thin Man fuera poco práctico. [29] En julio de 1944, Oppenheimer reorganizó el laboratorio para hacer un esfuerzo total en la implosión. McMillan permaneció a cargo del arma tipo cañón, [30] que ahora se usaría solo con uranio-235 . Siendo este el caso, Thin Man fue reemplazado por un diseño nuevo y más reducido llamado Little Boy . [31] McMillan también estuvo involucrado en la implosión como jefe del Grupo G-3 dentro de la División G (Gadget), que era responsable de obtener mediciones y tiempos de implosión, [32] y sirvió como enlace del laboratorio con el Proyecto Camel , el programa de pruebas aéreas que estaba llevando a cabo Caltech. El 16 de julio de 1945, estuvo presente en la prueba nuclear Trinity , cuando se detonó con éxito la primera bomba de implosión. [33]
En junio de 1945, McMillan empezó a pensar en los ciclotrones. Con el tiempo se habían vuelto cada vez más grandes. Se estaba construyendo un ciclotrón de 184 pulgadas en el Laboratorio de Radiación, pero se dio cuenta de que se podía hacer un uso más eficiente de la energía utilizada para acelerar las partículas. Al variar el campo magnético utilizado, se podía hacer que las partículas se movieran en órbitas estables y se podían lograr energías más altas con la misma entrada de energía. A esto lo denominó "principio de estabilidad de fase" y al nuevo diseño " sincrotrón ". [34] [35] Sin que McMillan lo supiera, el principio del sincrotrón ya había sido inventado por Vladimir Veksler , quien había publicado su propuesta en 1944. [36] McMillan se enteró del artículo de Veksler en octubre de 1945. [17] Los dos comenzaron a escribirse y finalmente se hicieron amigos. En 1963 compartieron el premio Átomos para la Paz por la invención del sincrotrón. [37] En 1964, McMillan recibió el premio Golden Plate de la Academia Estadounidense de Logros . [38]
El principio de estabilidad de fase fue probado con el viejo ciclotrón de 37 pulgadas en Berkeley después de que McMillan regresara al Laboratorio de Radiación en septiembre de 1945. Cuando se descubrió que funcionaba, el ciclotrón de 184 pulgadas fue modificado de manera similar. [34] [17] Se convirtió en profesor titular en 1946. En 1954 fue nombrado director asociado del Laboratorio de Radiación. Fue ascendido a subdirector en 1958. A la muerte de Lawrence ese año, se convirtió en director y permaneció en ese puesto hasta su jubilación en 1973. El laboratorio pasó a llamarse Laboratorio de Radiación Lawrence en 1958. En 1970, se dividió en el Laboratorio Lawrence Berkeley y el Laboratorio Lawrence Livermore, y McMillan se convirtió en director del primero. [1] [37] [39]
McMillan fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 1947, y fue su presidente desde 1968 hasta 1971. [40] Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Americana en 1952. [41] Fue miembro del influyente Comité Asesor General (GAC) de la Comisión de Energía Atómica de 1954 a 1958, y de la Comisión de Física de Altas Energías de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada de 1960 a 1967. [42] Fue elegido miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en 1962. [43] Después de su retiro de la facultad en Berkeley en 1974, pasó 1974-75 en el CERN , donde trabajó en el experimento g minus 2 para medir el momento magnético del muón . Fue galardonado con la Medalla Nacional de la Ciencia en 1990. [37]
McMillan sufrió el primero de una serie de accidentes cerebrovasculares en 1984. [37] Murió en su casa en El Cerrito, California , por complicaciones de la diabetes el 7 de septiembre de 1991. Le sobrevivieron su esposa y tres hijos. [20] Su medalla de oro del Premio Nobel se encuentra en el Museo Nacional de Historia Estadounidense , una división del Smithsonian , en Washington DC. [44]
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