Un instrumento científico para la Historia; el ciclotrón de Lawrence.

El 26 de enero de 1932, la Oficina de patentes de los Estados Unidos, recibió una solicitud por parte del físico y químico nuclear estadounidense Ernest Orlando Lawrence, para la patente “Método y aparato para acelerar iones”. Se trataba de su ciclotrón.

lawrenceLa patente le fue concedida el 20 de febrero de 1934.

El mítico ciclotrón de 60 pulgadas de Berkeley se puso en funcionamiento el 30 de junio de 1939 por Ernest O. Lawrence en el Laboratorio Crocker de la Universidad de Berkeley, California. El 30 de junio de 1962 se apagó definitivamente.

Durante su existencia (1939-1962), el ciclotrón de Berkeley diseñado por Lawrence había contribuido al descubrimiento de siete nuevos elementos químicos: el neptunio, el plutonio, el americio, el curio, el berkelio, el californio y el mendelevio.

Ernest Orlando Lawrence (Canton, Dakota del Sur, 8 de agosto de 1901 – Palo Alto, California, 27 de agosto de 1958) es conocido sobre todo por la invención, utilización y mejora del ciclotrón, y por su trabajo posterior en separación de isótopos de uranio en el Proyecto Manhattan.

En noviembre de 1939 Lawrence ganó el Premio Nobel de Física por su trabajo en el ciclotrón y sus aplicaciones.

Lawrence estuvo ligado durante mucho tiempo con la Universidad de California, donde impartió clases de física. En 1939, se otorgó el Premio Nobel de física a Lawrence por su trabajo en el ciclotrón. El elemento químico número 103 recibe el nombre de lawrencio en su honor.

Cursó estudios en las universidades de Dakota del Sur, Minnesota, Chicago y Yale. En 1925 se doctoró en física por la Universidad de Yale, donde fue profesor asistente de 1927 a 1928, fecha en que se trasladó a la Universidad de Berkeley, donde ocupó una plaza de residente antes de ser nombrado profesor en 1930, el más joven de Berkeley.

La invención que le reportó fama mundial partió de un esbozo en un trozo de papel. Mientras estaba sentado en la biblioteca una tarde, Lawrence hojeó un artículo y quedó intrigado al ver uno de los diagramas. La idea era producir las partículas de muy alta energía necesarias para la desintegración atómica mediante una sucesión de empujones pequeños. Lawrence les dijo a sus colegas que había encontrado un método para obtener partículas de muy alta energía sin necesitar altos voltajes.

El primer modelo de ciclotrón estaba hecho de alambre y cera. Y funcionó… cuando Lawrence aplicó 2.000 voltios de electricidad a su ciclotrón artesanal obtuvo proyectiles de 80.000 voltios. Mediante máquinas cada vez mayores, Lawrence fue capaz de proporcionar el equipamiento necesario para los experimentos de física de altas energías.

En 1929 Lawrence diseñó un ciclotrón, capaz de comunicar a las partículas subatómicas una energía de hasta 1.200.000 eV, energía suficiente para provocar la desintegración del núcleo atómico.

Para continuar con el proyecto, promovió la fundación del Radiation Laboratory de Berkeley, del que fue nombrado director (1936) y que actualmente lleva su nombre.

Además Lawrence, en uno de sus ciclotrones, consiguió aislar por primera vez el tecnecio, el primer elemento no presente en la naturaleza obtenido de forma artificial. Con el ciclotrón también obtuvo fósforo radiactivo y otros isótopos para uso médico; así mismo advirtió la utilidad de los haces de neutrones en el tratamiento de enfermedades cancerígenas.

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Fue galardonado en 1937 con la medalla Hughes, concedida por la Royal Society «por su trabajo en el desarrollo del ciclotrón y sus aplicaciones a las investigaciones de la desintegración nuclear».

Durante la Segunda Guerra Mundial trabajó en el Proyecto Manhattan como jefe del departamento encargado del proceso electromagnético de separación del isótopo 235 del uranio para la bomba atómica.

En 1957 fue galardonado con el Premio Fermi.

Un ciclotrón es un tipo de acelerador de partículas. El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos. El ciclotrón evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.

La mayoría de los actuales aceleradores de partículas de alta energía descienden del primer ciclotrón de protones de 1 MeV construido por Ernest O. Lawrence y M. S. Livingstone en Berkeley (California, EE. UU.). El artículo original publicado en la revista Physical Review, volumen 40, del 1 de abril de 1932, titulado “Producción de iones ligeros de alta velocidad sin el empleo de grandes voltajes”, describe este original invento.

El ciclotrón consta de dos placas semicirculares huecas, que se montan con sus bordes diametrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme que es normal al plano de las placas y se hace el vacío. A dichas placas se les aplican oscilaciones de alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas. Como consecuencia, durante un semiciclo el campo eléctrico acelera los iones, formados en la región diametral, hacia el interior de uno de los electrodos, llamados Ds, donde se les obliga a recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético y finalmente aparecerán de nuevo en la región intermedia.

El campo magnético se ajusta de modo que el tiempo que se necesita para recorrer la trayectoria semicircular dentro del electrodo sea igual al semiperiodo de las oscilaciones. En consecuencia, cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá invertido su dirección y los iones recibirán entonces un segundo aumento de la velocidad al pasar al interior de la otra ‘D’.

lawrence3Como los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones, el tiempo que se necesita para el recorrido de una trayectoria semicircular es independiente de sus velocidades. Por consiguiente, si los iones emplean exactamente medio ciclo en una primera semicircunferencia, se comportarán de modo análogo en todas las sucesivas y, por tanto, se moverán en espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que alcancen la periferia del aparato.

Su energía cinética final será tantas veces mayor que la que corresponde al voltaje aplicado a los electrodos multiplicado por el número de veces que el ion ha pasado por la región intermedia entre las ‘Ds’.

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Publicado el 26 enero, 2016 en Física, Nuclear, Química. Añade a favoritos el enlace permanente. 1 comentario.

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