Edwin Mattison McMillan
Nobel Kimya Ödülü 1951’de Glenn T. Seaborg ile birlikte. “Transüoran elementlerinin kimyasındaki keşifleri için”. Lawrence Radyasyon Laboratuvarı’nda eğitim ve erken çalışma.
Bilimsel etkinliğinin büyük kapsamı ve temel doğası göz önüne alındığında, Edwin M. McMillan, şaşırtıcı derecede çok sayıda alanda gelişen bilgi ile ayak uydurarak “doğal bilimci” olarak karakterize edilebilir. Kendisiyle Kimya 1951 Nobel Ödülünü paylaşan Glenn Seaborg’a göre, McMillan fizik, kimya ve mühendislik alanlarında uzmanlaşmayı ve bölünmeyi sevmeyen katkılarıyla şimdiye kadar bilinen en bilgili bilim adamlarından biriydi aslında Fizik teorisine ve tecrübeye dönüştürülür, aslında hem yaratıcı bir deneyist, hem de mükemmel bir teorisyendir.
McMillan, 1907’de California, Redondo Beach’de doğdu ve California Institute of Technology’nin yakınında Pasadena’da yetişti. Lise boyunca laboratuvarlarda çok fazla vakit geçirdi ve genel konferanslara ve seminerlere katıldı. 1924’te California Institute of Technology’ye girince, bilimsel araştırma için etkileyici nitelikler geliştirdi. Daha sonraki çalışmalarında enstrümantal olduğunu kanıtlayan ve kimya bağının doğası üzerine yaptığı araştırmalar nedeniyle Kimya’da gelecek Nobel ödüllü Linus Pauling’in etkisinde kaldığı çok sayıda kimya dersi aldı. Fizik bölümünden mezun olan McMillan, Bachelor of Science derecesi ve Yüksek Lisans derecesini almış, daha sonra doktorasını tamamlamıştır. Deneysel nükleer fiziğinde kapsamlı bir eğitim aldıktan sonra 1932’de Princeton Üniversitesi’nde fizik alanında lisans yaptı. Doktora sonrası araştırmalar için Ulusal Araştırma Konseyi bursunu kazandıktan sonra, Ernest Lawrence’ın ilk siklotronun deneysel potansiyelini keşfetmeye başladığı Berkeley’deki bir daveti kabul etti. Nükleer manyetik momentlerin ve güneş spektrumunun aşırı ince yapısının ölçümü üzerine yapılan erken araştırmalardan sonra McMillan, siklotron üzerindeki çalışmaları giderek daha fazla ilgilenmeye başladı ve deneysel becerisi Lawrence ve işbirlikçileri tarafından çokça takdir edildi.
O zaman nükleer fizik alanı bir dizi şaşırtıcı bulgu ile dönüştürülüyordu. 1934’de, McMillan, Lawrence Radyasyon Laboratuvarı’nda fizik alanında araştırma ortağı oldu ve Paris’teki Frédéric ve Irène Joliot-Curie, doğal bir istikrarlı elementin doğal orijinli alfa partikülleri ile ışınlanarak radyoaktif hale getirilebileceği heyecan verici bir gözlem yaptı. Ernest Rutherford liderliğindeki Cavendish Laboratuvarı’nda çalışan James Chadwick 1920’den beri “hemen hemen gerekli” olarak Rutherford’un hipotezini koyduğu nükleer çekirdeğin nötr bir bileşeni olan nötronun varlığını ortaya koyduğunda, son derece önemli bir gelişme 1932’de gerçekleşmişti. Binayı ağır elementlerin çekirdeğine kadar açıklamak. “Joliot ve Curie’nin keşfinden hemen sonra, Enrico Fermi, nötronların da yapay radyoaktiviteyi tetikleyebileceklerini görmek için karar verdi. Fermi, yüklenilmemiş olmakla birlikte, son derece dolu çekirdeklere bile nüfuz edebileceklerini düşünüyordu. Aslında, alfa parçacıkları, protonlar veya gama ışınımı çıkartılarak radyoaktif ve çürümeye dönüşen çeşitli elementlerde olumlu sonuçlar elde etti. Soddy ve Fajans’ın yerinden olma yasalarına göre, alfa bozunması, periyodik tablodaki yerinin, bombardımana maruz kalmış elemanın altındaki iki konumda olduğu bir izotopa yol açtı; bununla birlikte, sonraki element bir beta emitörünün kızı yerini aldı.
1934 baharından bu yana artan atom numarasına göre sistematik bir şekilde ilerlemekte olan Fermi ve işbirlikçileri, periyodik tablodaki son bilinen element olan toryum ve uranyum da nötronlarla bombardımana tutuldu. Diğer elementlerde olduğu gibi, nötronun yakalanması, beta yayan radyoizotopların üretilmesine yol açtı; bu durumda bu durumda kolayca yorumlanamadı. En basit yol, sonuçlarını, uranyumda ışınsal yakalama (Z = 92) tarafından üretilen radyoaktif bir nüklidin beta çürümesinde üretilen transüoran element Z = 93 nedeniyle yorumlamaktı. Transüoran elementlerinin kimyası elbette bilinmiyordu; Periyodik tablonun aynı dikey sütununda bulunan hemen hemen üstündeki elementler olan renyum, osmiyum, vb. Gibi olacağı düşünülüyordu. Bu nedenle, kimyasal testler, indüklenen aktivitelerin atom sayıları 86-92 arasındaki elementlerden kaynaklanmadığını gösterdiğinde, bu araştırmacılar doğal olarak bunun, nadir metal renyumunkine benzer kimyasal özelliklere sahip transuranik bir element olduğunu kabul ettiler. Kısa süre sonra, platin ailesindeki bir geçiş metali osmiyumun homologu olarak kabul edilen element 94’ün bir izotopu olduğu ileri sürülen başka bir beta emitörünü inceledi. Fermi’nin yorumu şu an için Berlin’de çalışan Hahn, Meitner ve Strassmann ve Paris’te çalışan Irène Curie ve Paul Savitch tarafından doğrulandı. Berlin ekibi, birkaç yıl boyunca, transüoranım varsayımıyla ilgili sonuçları yorumladı; Ancak aşamalı olarak zorluklar, bu yorumun artık mümkün görünmediği ölçüde birikti.
Yapay radyoaktiviteyi tetikleme imkânı hemen araştırmayı birçok elementin radyoaktif formlarını hazırlamaya yöneltti. O zaman hızlandırıcıların teknolojisi hızla gelişme aşamasına geliyordu. Yüklü parçacıkların doğal olarak oluşan enerjilerin çok ötesinde enerjiyi hızlandırabilmesi için Lawrence’ın siklotronu, doğal kaynaklardan gelen alfa parçacıkları yalnızca en hafif elementlerin çekirdeğine nüfuz edebilirken, ağır elementleri ilk kez bombardıman ve dönüştürmeye olanak tanır ve Böylece zamanla insan hastalarda terapötik uygulama için kullanılan radyoizotopların sistematik olarak üretilmesine izin verilir. Özellikle Ernest Lawrence’ın doktor kardeşi John Lawrence, kısa süre önce hastalık araştırmasında izotop üreten siklotronun değerini ortaya koydu. 1935 yılında Lawrence ve R. L. Thornton ile birlikte McMillan, çeşitli hedefler Berkeley siklotronun ürettiği dötere kiriş kirişine maruz bırakıldığında üretilen radyoaktiviteyi inceledi. O dönemde bugün nükleer kimya haline geldi ve nükleer fizik teorik arka plan istisnai bir komut ile kendini yenilikçi ve dikkatli bir deneyci olarak seçkin ne birkaç deneyler yaptı. Ayrıca siklotronun çalışması ve iyileştirilmesi konusunda yoğun ilgi gördü ve iyon kaynakları, manyetik alan şekillendirme, kiriş ekstraksiyonu ve güç ve kontrol sistemlerinde önemli gelişmelerden sorumluydu. Siklotronların ulaşabileceği enerji ile ilgili sorunları ve ışının hızlanmasını derinlemesine bir anlayış geliştirdi.
Patlatılan 500 kilotonluk bir nükleer patlama için farklı aralıklarda patlama ve radyasyon etkileri. Ansiklopediler Britannica, Inc.
Transüoran Elementleri
1930’ların sonlarına doğru, Avrupa’da durum giderek daha da vahimleşmeye başlamıştı. Avusturyalı bir vatandaş olarak, Berlin’deki Lise Meitner Nazi Sivil Hizmet Kanunlarından korunmuştu. 12 Mart 1938 tarihli Anschluss ile bu kanunlar birdenbire uygulandı ve görevinden uzaklaştırılmasını ve diğer cezalara çarptırılmasını bekleyebilirdi. Çıkış vizesi reddedildi ve sonra Almanya’yı gizlice alması için bir plan hazırlandı. Ayrıldıktan sonra, Hahn ve Strassmann ağır elementlerin bombardımanı ile üretilen radyoaktivitenin kimyasal araştırmalarına devam ettiler. 1938’de nükleer bilimsel topluluk genellikle, transüoran elementlerin ağır elementleri nötronlarla boğarak üretildiğine ikna olmuştu. Ders kitaplarında, makalelerde ve halka açık derslerde yerleşmiş bir olgu olarak değerlendirildi. Enrico Fermi, 1938 sonbaharında, “Nötron ışınlamayla üretilen yeni radyoaktif elementlerin varlığı ve yavaş nötronların nükleer reaksiyonlarının keşfedilmesi” konusundaki gösterileri nedeniyle Nobel Fizik Ödülünü aldı. Fermi’nin Nobel dersinde olduğu gibi, Fermi ve grubu tarafından Ausonyum ve Hesperium olarak adlandırılan iki transüoran elementi 93 ve 94’ün en olası varlığından bahsedildi.
Hahn ve Strassmann’ın deneyleri, tamamen beklenmedik sonuçlara yol açtığında, bilhassa 1938 sonbaharında çözülmüştür: nötronlarla bombardıman edilen uranyum, daha hafif elementlerden, periyodik masadaki uranyumdan çok uzakta bulunan transüorana bölünmeden parçalanır elementler.
1939’un başlarında ilan edilen uranyumun fisyonunun keşfi, insanlık tarihinde yeni bir çağ açtı. Büyük keşif haberleri hızla yayılmış, büyük heyecan ve deneysel araştırma faaliyetleri yoğun bir şekilde ortaya çıkmıştır. 1939’un sonunda, nükleer fisyonla ilgili yüzü aşkın madde, tüm dünyada yayınlandı ve nükleer çağın ortaya çıkmasına başladı. Fermi, Chicago’daki dünyanın ilk nükleer reaktörünü tasarladı ve inşa etti; Aralık 1942’de ilk yapay kendi kendini sürdüren nükleer zincir reaksiyonu üretti. 1944’de “ağır atom çekirdeğinin fisyonunu keşfedilmesi” için Hahn, Nobel Kimya Ödülüne layık görüldü.
Berkeley’de McMillan, birçok bilim insanı gibi, yeni süreci teyit etmek ve aydınlatmak için çalışmalar başlattı. 1939 baharında, çok basit bir tecrübe edindi: enerjik fisyon parçalarının aralıklarını ince folyolar yığını içerisine nüfuz ederek ölçmek. Fisyon parçaları, bir kağıt tabakasına yayılan ince bir uranyum oksit tabakasından geldi ve 37 inçlik siklotronda 8 MeV dötere ait bombardımanlarla bombalanmış bir berilyum hedefinden nötronlara maruz bırakıldı. Nötronlara maruz kaldıktan sonra tabakalar ayrıldı ve bir iyonizasyon bölmesi vasıtasıyla radyoaktivite için incelendi. Parçaların aralık ölçümünün sonuçları rutin idi; Ancak, deuteronlarla bombardıman edilen uranyum tabakasındaki artık maddenin incelenmesi, fisyon süreci ile bağlantılı fragman radyoaktivitesine ek olarak, 23 dakikalık yarılanma ömrüne ve yaklaşık olarak iki güne ait bir bileşenin varlığına işaret etti.
İlki 1936’da Hahn, Meitner ve Strassmann tarafından basit bir nötron yakalamasıyla oluşturulmuş bir üründür tanımlanan 23 dakikalik uranyum izotopuna uranyum-239 atfedilebilir. Ancak McMillan, daha önce bilinmeyen 2,3 günlük beta etkinliği ile ilgisini çekti. Hemen bunun uranyum-239’un beta bozunumunun ve dolayısıyla 93 elementinin izotopunun bir ürünü olduğunun şüphesi var. Periyodik tablodaki hipotezi verilen pozisyona göre, renyuma benzer kimyasal özelliklere sahip olma ihtimali var gibi görünüyordu. McMillan, böylece, 1937’de Carlo Perrier’le ortak keşfeden olan Emilyo Segrè’yi, nötronların Roma’da Fermi ve grubu ile başlattığı radyokimyaya ve özellikle renyumun kimyasına aşina olduğu Emilio Segrè’ye katıldı. 43. elementi, nükleer çürüme karşısındaki istikrarsızlığı nedeniyle aslında doğada mevcut değildir. Savaştan sonra, nükleer reaktörler 43 makroskopik miktarda element ürettikleri zaman, Segrè ve Perrier, “teknisyen” anlamına gelen “technetos” Yunanca sözcüğünden sonra teknetiyum (sembol Tc) verdiler, bunun anlamı “yapay” idi. Teknik veya yapay yöntemlerle üretilebilir. 1938 yılının yaz aylarında Segrèe Lawrence tarafından davet edildi ve Mussolini’nin faşist rejimi tarafından ırk kanunlarının yürürlüğe girmesinden sonra yapay yöntemlerle yeni elementlerin ve izotopların üretimini amaçlayan araştırmalara katılan Berkeley’de kaldı. McMillan’ın 2.3 günlük etkinliğini inceleyen Segrè, bunun, renyum gibi değil, nadir bulunan bir toprak gibi davrandığını keşfetti ve nadir toprak elementleri genellikle fisyon parçaları arasında ön plana çıktığı için, aktivitenin nadir toprak izotopu olduğu anlaşıldı.
O sırada yeni 60 inç siklotron Berkeley’de çalışmaya başladı. Dünyadaki en yüksek enerji hızlandırıcısı ve Ernest Lawrence’ın bu alandaki çalışmalarının önemi, aynı yıl, 1939 Nobel Fizik Ödülüne “siklotronun icat edilmesi ve geliştirilmesi için verildiğinde; Özellikle yapay radyoaktif elementler açısından. “60 inç siklotron ve 16 MeV çift oksitler, McMillan’ın transüoran elementleri aramak için yeni imkânlar sundu. 1939’da fizyon süreci daha iyi anlaşıldı ve 1940’ların başında McMillan, yeni faaliyetin bir fisyon parçasının bozulması olamayacağına ve yeni siklotron ile bir dizi deney başlattığına ikna olmuştu. Bu, 2.3 günlük etkinliğin fisyondan kaynaklanamadığını ve 23 dakikalık uranyum izotop uranyumunun 239 genetik olarak bununla bağlantılı olduğunu doğruladı. Aslında uranyum-239’un (Z = 92) beta çürümesinin, Z = 93 olan yeni bir element atomları ürettiğini görüyoruz! McMillan kısa bir ziyaret için Berkeley’e dönen genç Philip Abelson’un aynı problem üzerinde çalıştığını öğrendi. Birlikte, son bulmacayı çözmelerine ve 2,3 günlük etkinliğin aslında 93 elementi olan izotop 239’un bir izotopu olduğuna karar vermelerine izin veren önemli bir kimyasal prosedür geliştirmeyi başardık. Element 93’ün çok küçük Fisyon kaybı içermeyen nötronlar ile bir uranyum reaksiyonu ile, başlangıçta tahmin edildiği gibi kimyasal olarak uranyum gibi davranmış ve renyumdan değil.
Bu noktada 93. element’in önceki araştırmacılardan kaçmasının nedenleri belli oldu, çünkü kimyası renyumunkinden daha fazla uranyum gibiydi. Uranyuma olan bu benzerlik, McMillan ve Abelson’a, nadir toprak elementleri ile periyodik masada daha önce meydana gelen fenomenle benzer şekilde, yakından ilişkili mülklerin yeni bir dizi unsurunun başlamış olduğunu öne sürdü. Bu ilişkiden dolayı – ve uranyum (92. element), Uranüs gezegeni için adlandırıldığına göre – McMillan, Pluto gezegeninden sonra 94 numaralı uranyum için uranyum ve plütonyumdan ötürü 93 element için neptunyum önermişti , Henüz kimliği belirsiz. Neupunyum, transüoran elementlerinin ilkiydi. Büyük bir bariyer çöktü; Abelson ve McMillan’ın kimyasal tekniği izleyecekleri tüm transüoranik kimyanın temelini oluşturdu.
İncelemelerdeki bir sonraki adım, 94 atomunun izotopunun 239 alfa parçacıkları yayınladığı, ancak 90 elementinin 239 izotop numunelerindeki bir araştırmanın bir aktivite gösterdiğini varsaydı Iyi denemeler için çok zayıf. Bundan sonra, deuteronlarla uranyum bombardımanı altında McMillan ve Abelson, daha kısa bir yarılanma ömrüne sahip 94 elementinin farklı izotopu üretmeyi ve böylece daha enerjik alfa parçacıkları yaymayı umdu. Bu umut haklı çıktı, ancak 94 unsurunun kesin olarak tanımlanamamışlardı, çünkü Kasım 1940’da McMillan Massachusetts Institute of Technology’deki savunma araştırmalarına çağrıldı ve radar projesine katıldı.
Bu arada Glenn Seaborg, öğrencilerinden Arthur Wahl’dan 93. maddenin kimyasını derinlemesine incelemesini istedi ve McMillan ile anlaşma yaptıktan sonra 94. madde için arama yapmaya devam etti. Uranyum oksidi 16 MeV deuterons’dur ve 238’lik bir kütle numarasıyla 94 verim elemanı için bir beta parçacık yayarak çürümeye çıkan sonuçtaki ürünlerin 93 den daha düşük fraksiyonunu kimyasal olarak izole etme konusunda başarılı olmuşlardır. 23-24 Şubat 1941 gecesi Seaborg, Wahl Joseph Kennedy, keşif için kredi paylaşan McMillan tarafından plütonyum (Pu) ismi verilen yeni transüoran element olan 94 elementinin izotopunun 238 keşfedilmesinin nihai kimyasal kanıtını elde etti.
Kısa süre sonra Emilio Segrè’nin katılımıyla izotop plütonyum-239’un keşfi izledi. Elde edilen küçük numune, yavaş nötronlarla bombardıman yoluyla fisyona duyarlı olduğunu ortaya koymak için yeterliydi ve bu nedenle büyük miktarlarda üretimi ulusal savunma için aşırı önem taşıyordu. Bu zaman zarfında, İkinci Dünya Savaşı halihazırda sürmekte olan bir süreçte, bir nükleer zincir reaksiyonunun olası askeri kullanımı kabul edildi ve askeri kullanım için transüoran elementleri üretimi başladı. Ağustos 1942’de Seaborg, bir takım arkadaşlarıyla birlikte plütonyum-239’u araştırmaya devam etmek ve özellikle de onu üretmenin bir yolunu bulmak için Chicago Üniversitesi Metalürji Laboratuvarı’na (şimdi Argonne Ulusal Laboratuvarı) taşındı. Plutonyum Projesi haline gelen atom bombasının üretimi için kullanılabilir miktarlar. Seaborg, plutonyumun keşfedilmesinden sonra, McDonald’ın fikirlerini de izleyerek, lantanid serisine (element 58-71) benzer bir şekilde aktinit serisi olarak adlandırılan yeni bir dizi elementin üretildiğini ve bu yeni serinin toryumla başladığını hipotez aldığını öne sürdü Th), atom numarası 90. Bundan sonra, bu hipoteze uygun olarak keşifler araştırıldı ve yapıldı. Savaş sırasında, radyoaktivite alanında tarihi önde gelen araştırmacılar olan Pierre ve Marie Curie’den sonra 95 ve 96 unsurları bu şekilde sentezlendi, tanımlandı ve sırasıyla americium (Am) ve curium (Cm) olarak adlandırıldı. Bu sonuçlar, sonunda ilk atom bombalarının üretildiği ABD Hükümeti araştırma projesi (1942-1945) Manhattan Projesi’nin gizlilik kısıtlamaları çerçevesinde, gönüllü olarak 1946 yılına kadar yayından kaldırıldı.
Abelson ile neptunyum keşfi ve Kennedy, Seaborg ve Wahl ile plütonyum keşfi için McMillan 1951 yılında ortaklaşa Nobel Kimya Ödülü Seaborg ile ödüle layık görüldü. Aynı yıl John Cockcroft ve Ernest Walton, “öncü çalışmaları için” Atom çekirdeğinin yapay olarak hızlandırılmış atom parçacıkları tarafından dönüştürülmesi “üzerine kurulmuştur.
Savaştan sonra, transüorana yönelik avlanma devam etti. Şu ana kadar 20’den fazla sentetik eleman oluşturuldu. Hepsi dengesizdir, yarılanma ömrü bir yıldan birkaç milisaniye kadar değişir. Uranium, element 92, dünyada tespit edilebilen miktarda doğal olarak bulunan en ağır elementtir. Uranyumdan daha yüksek atom sayılarına sahip tüm elementler yarılanma ömrü Dünya’nın yaşından çok daha kısa olduğu için bu elementlerin herhangi bir atomu Dünya’nın oluşumunda olsalar bile çoktan çürümüş olurlardı fakat iz Bazı uranyum zengin kayalarda miktarlar oluşur. Birçok transüoran element bilimadamları tarafından adlandırılmıştır: einsteinium (99), fermium (100), mendelevium (101), nobelium (102), lawrencium (103), rutherfordium (104), denizböceği (106), bohrium (107), meitneryum (109), roentgenium (111), kopernikum (112), flerovium (114).
Transülanyum Araştırmasından Hızlandırıcılara
Savaştan sonra, Seaborg radyokimyasal çalışmaya dahil olmaya ve yeni transüoran elementleri keşfetmeye devam ederken, McMillan’ın düşünceleri, savaş araştırması döneminde kazanılan katma değerli deneyim ve teknolojinin canlandırdığı hızlandırıcılar sorununa döndü. Lawrence, 60 inçlik siklotron 1939 ilkbaharında ilk kirişini üretmeden önce bile daha yüksek ve daha yüksek enerji hızlandırıcıları dizisindeki bir sonraki adımın düşünmeye başlamıştı. Fakat yeni planlanmış 184 inç siklotron montajı yapılmadı, çünkü mıknatıs, Oak Ridge pilot fabrikasındaki Lawrence tarafından bölünmeli uranyum-235’in elektromanyetik yöntemi kullanılarak ayrıldı. Şimdi, 1945’te siklotron tamamlanmış olacaktı. Lawrence ve arkadaşları, partiküllerin ivme kazanmasıyla ilgili teknik zorluklar nedeniyle, geleneksel siklotronların geçemeyeceği bir bariyer türü olan parçacıkları 100 milyon eV’ye yükseltmesini umuyordu.
Siklik hızlandırıcılarda, sabit bir sabit manyetik alan B içindeki yüklü bir parçacık, r yarıçapının yuvarlak bir yolunu tarif eder, öyle ki, m / e parçacığın kütle yüklenme oranını ve v hızıdır. Devir başına zaman böylece t = 2πBm / e olacaktır. Bu, esas olarak, ilgisizlik aralığında sabittir; Dolayısıyla iki “D”-şekilli elektrot (dee) arasında 1 / t frekanslı bir alternasyonlu elektrik alanının tekrarlanan uygulaması, parçacık doğru fazda yuvarlak yörüngesinde dolaştığında artan bir hızlanma sağlayacaktır. Sürekli parçacık ivmesi, parçacık hareketi ile hızlanan aralıktaki her geçiş sırasında hızlanan alan içindeki değişiklikler arasında bir eşzamanlılık (rezonans) gerektirir. Bunu sağlamak için voltaj frekansı parçacıkların göreceli kütlesi ile ters orantılı olan parçacıkların siklotron rezonans frekansıyla eşleşmelidir. Eğer parçacık hızı hızın yarısı kadar olana kadar hızlandırılırsa, kütle geri kalan kütlenin yüzde 15 daha büyük ve zaman t ilk dönüşünkinden yüzde 15 daha büyük. Bu koşullar altında parçacıklar ivme kazanılan alanla faz dışı kalır ve ivme modundan kayar. Bu nedenle, geleneksel bir siklotronun sınırlayıcı enerjisi vardır, ötesinde daha fazla ivmenin mümkün değildir.
Enerji sınırını atlatma sorunu, makine için bazı güç kaynakları tasarlayan McMillan tarafından çözüldü. Haziran / Temmuz 1945’te bir gece zihni, rezonans ivme kavramına geri döndü ve “parçacıkların hareketini, onu iterek değişen elektrik alanıyla basamak tutmanın yalnızca bir yolu olup olmadığını” merak etti. Ani hareket, bazı basit koşullar sağlanırsa hızlanan alana adım atmak için doğal bir eğilime sahip olduğunu fark etti.
Aşırı relativistik enerji aralığında yüklü bir parçacık, üniform bir manyetik alanda yarıçap r olan dairesel bir yol izlediğini varsayarsak. Doğru radyo frekansı voltajı, parçacık hızlanan aralığı geçerken voltajın sıfır olmasına neden olacak bir fazla uygulanırsa, hızında, enerjisinde veya kütlesinde herhangi bir değişiklik olmayacaktır. Daha önce boşluğa ulaşan bir başka parçacık daha büyük bir enerji kazanacak ve dolayısıyla daha uzun bir dairesel yoldan ilerleyecek ve bir dahaki sefer hızlanan aralığı geçecektir. Tersine, çok geç ulaşan bir parçacık yavaşlar, daha kısa bir yol izlenir ve zamana yetişirdi. Parçacık, fazda rahatsız edilirse, daha sonra boşluğu geçerken, iyi durumda olanla paralel olarak düşmeye çalışacak şekilde enerji kazanmayan kararlı fazda salınır. Denge yörüngesinde bir araya gelme eğilimi o kadar güçlüdür ki, yönlendirici manyetik alan veya elektrik hızlanan alanın veya her ikisinin salınım periyodunun frekansı doğru yönde yavaş yavaş değiştirildiğinde, uygulanan kuvvetlerin bu tür değişiklikleri Parçacıkların daha fazla veya daha az keyfi varyasyon izledikten sonra, daha yüksek bir parçacık enerjisine karşılık gelen yeni bir denge yörüngesinde dengeleyecekleri zamanlama ilişkileri. Değişik alan veya frekansla adım atmak için her devrimde yeterli enerjinin elde edildiği şekilde istikrar evreye kalacaktır. Bu işlem, parçacıklar arzu edilen enerjiye yükseltilinceye kadar, tasarımcı istediği gibi yavaş veya hızlı bir şekilde devam edilebilir.
McMillan “mucidi gibi bir karikatürde başının üzerinde yanıp sönen bir ampulle” hissetti. Kısa süre önce “faz istikrarı” olarak adlandırdığı kilitlenme fenomeni için bir isim vardı; çünkü “faz” sözcüğü zamanlamayı tanımlamak için kullanıldı.
Ayrıca, bu ilkeyi kullanan gaz pedalına “senkrotron” adı da vardı ve kısa bir rapor hazırladı: “Bu, parçacıkların yüksek enerjilere doğru hızlanması için bir cihaz. Esas olarak, hızlanma sırasında manyetik alanın veya frekansın değiştiği ve parçacıkların yüksek enerjili elektrik alanına göre fazının kendiliğinden hızlanma için uygun değere ayarlandığı bir siklotrondur. ”
McMillan, keşfini Eylül 1945’te Fiziksel İnceleme’de yayınladı. Ancak o zamanlar, ABD bilim topluluğu, Sovyet bilimadamı Vladimir Veksler’in dünyada hızlandırıcı tasarım ve yapımında devrim yapan aynı ilkeyi bağımsız olarak keşfettiğinin farkına vardı.
“Faz kararlılığı” ilkesi, sinkrotronun temel bileşeni haline geldi, ancak pek çok türde yüksek enerjili hızlandırıcıya uygulanabiliyordu. McMillan hemen fikirlerini uygulamaya geçti; Berkeley’deki 184 inç siklotronun orijinal planları, 1 Kasım 1946’da 195 MeV’de döteryumlarının ilk demetini üreten bir “senkro-siklotron” haline getirerek değiştirildi. 103, 104 ve 105 unsurları keşfedildi ve yeni oldu Radyoizotoplarla hastalık teşhisinde kullanılan teknikler geliştirildi, daha sonra dünya çapında kullanılıyordu. Deney programının ilk yıllarında, piyonların ilk hızlandırıcı üretimini ve nötr π-mezanın keşfini de içermektedir. Yüksek enerjili parçacık fiziğinde yeni bir çağ başladı.
Faz dengeleme ilkesi, hızlandırıcı mühendisliğinin gelişimi üzerinde devrim yaratan bir etki yarattı. Faz sabitliği ilkesine dayanan yeni makinelerin başarısı, Berkeley, Bevatron’da hızlandırıcı yeni bir aşama için teşvik sağladı. Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri’nin yanı sıra Fransa, İtalya, CERN, İngiltere ve Avustralya’daki yeni Avrupa laboratuvarında yeni nesil büyük hızlandırıcılar üretildi.
Hızlandırılmış tüm parçacıklar, tipik olarak elektronlar, önce sinkrotronlarda gözlemlenen bir elektromanyetik radyasyon kaynağıdır. Saklama halkaları ve diğer uzmanlaştırılmış parçacık hızlandırıcıları tarafından bilinçli olarak üretilen sinkrotron ışığı, birçok bilimsel araştırma ve teknik amaç için bir araç olarak kullanılabilir. Sinkrotron ışığının başlıca uygulamaları yoğunlaştırılmış madde fiziği, malzeme bilimi, biyoloji ve tıp içindedir.
McMillan ve Veksler sonuçta 1963’te Barış İçin Atom Ödülleri’ni paylaşacaklarını keşfettiler. 1958’de Ernest Lawrence’ın zamansız ölümünden sonra, McMillan Radyasyon Laboratuvarı’nın direktörlüğüne atandı. Liderliğinde, Lawrence Berkeley Laboratuvarı olarak değiştirildi ve nükleer ve yüksek enerjili parçacık fiziği için önde gelen uluslararası bir merkez haline geldi. Faz sabitliği ilkesi, bugünkü büyük hızlandırıcıların dayandığı temellerden biridir. Onlar çevrede millerdir, TeV’de ölçülen enerjilere sahiptirler ve parçacık araştırmalarının ön planında kullanılırlar.
