Ernest Lawrence

Ernest Orlando Lawrence (8. August 1901 - 27. August 1958) war ein amerikanischer Atomphysiker und erhielt 1939 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des Zyklotrons. Er ist bekannt für seine Arbeit an der Uran-Isotopentrennung für das Manhattan-Projekt sowie für die Gründung des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Lawrence Livermore National Laboratory.

Lawrence war Absolvent der University of South Dakota und der University of Minnesota und promovierte 1925 in Yale in Physik. Im Jahr 1928 wurde er als außerordentlicher Professor für Physik an der University of California in Berkeley eingestellt und wurde zwei Jahre später der jüngste ordentliche Professor dort. Eines Abends in der Bibliothek der Universität war Lawrence von einem Diagramm eines Beschleunigers fasziniert, der hochenergetische Teilchen erzeugte. Er überlegte, wie er kompakt gebaut werden könnte, und kam auf die Idee einer kreisförmigen Beschleunigungskammer zwischen den Polen eines Elektromagneten. Das Ergebnis war das erste Zyklotron.

Lawrence baute daraufhin eine Reihe immer größerer und teurerer Zyklotrone. Sein Strahlungslabor wurde 1936 zu einer offiziellen Abteilung der Universität von Kalifornien, deren Direktor Lawrence war. Neben dem Einsatz des Zyklotrons in der Physik förderte Lawrence auch dessen Verwendung in der Forschung zur medizinischen Nutzung von Radioisotopen. Während des Zweiten Weltkriegs entwickelte Lawrence am Radiation Laboratory die elektromagnetische Isotopentrennung. Dabei kamen Geräte zum Einsatz, die als Calutrons bekannt sind, eine Mischung aus dem Standard-Labormassenspektrometer und dem Zyklotron. In Oak Ridge, Tennessee, wurde eine riesige elektromagnetische Trennanlage gebaut, die später Y-12 genannt wurde. Das Verfahren war zwar ineffizient, aber es funktionierte.

Nach dem Krieg setzte sich Lawrence intensiv für die staatliche Förderung großer wissenschaftlicher Programme ein und war ein energischer Verfechter der "Big Science", die große Maschinen und viel Geld erforderte. Lawrence unterstützte nachdrücklich Edward Tellers Kampagne für ein zweites Kernwaffenlabor, das Lawrence in Livermore, Kalifornien, errichtete. Nach seinem Tod benannten die Regenten der Universität von Kalifornien das Lawrence Livermore National Laboratory und das Lawrence Berkeley National Laboratory nach ihm um. Das chemische Element Nummer 103 wurde ihm zu Ehren Lawrencium genannt, nachdem es 1961 in Berkeley entdeckt worden war.

Frühes Leben

Ernest Orlando Lawrence wurde am 8. August 1901 in Canton, South Dakota, geboren. Seine Eltern, Carl Gustavus (1871-1954) und Gunda Regina (geb. Jacobson) Lawrence (1874-1959), waren beide Nachkommen norwegischer Einwanderer, die sich beim Unterrichten an der High School in Canton kennengelernt hatten, wo sein Vater auch Schulleiter war. Er hatte einen jüngeren Bruder, John H. Lawrence, der Arzt wurde und ein Pionier auf dem Gebiet der Nuklearmedizin war. Sein bester Freund als Kind war Merle Tuve, der später ebenfalls ein sehr erfolgreicher Physiker wurde.

Lawrence besuchte die öffentlichen Schulen von Canton und Pierre und schrieb sich dann am St. Olaf College in Northfield, Minnesota, ein, wechselte aber nach einem Jahr an die University of South Dakota in Vermillion. Er machte 1922 seinen Bachelor-Abschluss in Chemie und 1923 seinen Master of Arts (M.A.) in Physik an der University of Minnesota unter der Leitung von William Francis Gray Swann. Für seine Magisterarbeit baute Lawrence einen Versuchsapparat, der ein Ellipsoid durch ein Magnetfeld rotieren ließ.

Lawrence folgte Swann an die University of Chicago und dann an die Yale University in New Haven, Connecticut, wo Lawrence 1925 als National Research Fellow seinen Doktortitel in Physik erwarb und seine Doktorarbeit über den photoelektrischen Effekt in Kaliumdampf schrieb. Er wurde zum Mitglied von Sigma Xi gewählt und erhielt auf Swanns Empfehlung ein Stipendium des National Research Council. Anstatt damit nach Europa zu reisen, wie es damals üblich war, blieb er als Forscher an der Yale University bei Swann.

Zusammen mit Jesse Beams von der University of Virginia erforschte Lawrence den photoelektrischen Effekt weiter. Sie wiesen nach, dass Photoelektronen innerhalb von 2 x 10-9 Sekunden nach dem Auftreffen der Photonen auf die photoelektrische Oberfläche erscheinen - nahe an der Grenze der damaligen Messbarkeit. Die Verkürzung der Emissionszeit durch schnelles Ein- und Ausschalten der Lichtquelle führte dazu, dass das Spektrum der emittierten Energie breiter wurde, was der Unschärferelation von Werner Heisenberg entsprach.

Frühe Karriere

In den Jahren 1926 und 1927 erhielt Lawrence Angebote für Assistenzprofessuren von der University of Washington in Seattle und der University of California mit einem Jahresgehalt von 3.500 Dollar (entspricht 59.000 Dollar im Jahr 2022). Yale kam dem Angebot einer Assistenzprofessur umgehend nach, allerdings zu einem Gehalt von 3.000 Dollar. Lawrence entschied sich für das prestigeträchtigere Yale, aber da er noch nie als Dozent tätig gewesen war, wurde ihm die Ernennung von einigen seiner Fakultätskollegen übel genommen, und in den Augen vieler war dies immer noch kein Ausgleich für seinen Migrationshintergrund aus South Dakota.

Lawrence wurde 1928 als außerordentlicher Professor für Physik an die University of California berufen. Zwei Jahre später wurde er zum ordentlichen Professor ernannt und war damit der jüngste Professor der Universität. Auf der Grundlage der 1934 von Frédéric und Irène Joliot-Curie veröffentlichten Arbeit über künstliche Radioaktivität entdeckte Lawrence das Stickstoff-13-Isotop, indem er in seinem Labor hochenergetische Protonen auf ein Kohlenstoff-13-Element schoss. Er und sein Team, zu dem auch Martin Kamen und Samuel Ruben gehörten, entdeckten zufällig das Kohlenstoff-14-Isotop, indem sie Graphit mit hochenergetischen Protonen beschossen. Robert Gordon Sproul, der am Tag nach Lawrence' Ernennung zum Professor Universitätspräsident wurde, war Mitglied des Bohemian Club und förderte Lawrence' Mitgliedschaft im Jahr 1932. Über diesen Club lernte Lawrence William Henry Crocker, Edwin Pauley und John Francis Neylan kennen. Sie waren einflussreiche Männer, die ihm halfen, Geld für seine energischen Kernteilchenuntersuchungen zu beschaffen. Man erhoffte sich von der Entwicklung der Teilchenphysik große Vorteile für die Medizin, und dies führte dazu, dass Lawrence einen Großteil der frühen Forschungsgelder erhalten konnte.

Während seines Studiums in Yale lernte Lawrence Mary Kimberly (Molly) Blumer kennen, die älteste von vier Töchtern von George Blumer, dem Dekan der Yale School of Medicine. Sie lernten sich 1926 kennen, verlobten sich 1931 und heirateten am 14. Mai 1932 in der Trinity Church on the Green in New Haven, Connecticut. Sie bekamen sechs Kinder: Eric, Margaret, Mary, Robert, Barbara und Susan. Lawrence nannte seinen Sohn Robert nach dem theoretischen Physiker Robert Oppenheimer, seinem engsten Freund in Berkeley. Im Jahr 1941 heiratete Mollys Schwester Elsie Edwin McMillan, der 1951 den Nobelpreis für Chemie erhalten sollte.

Entwicklung des Zyklotrons

Erfindung

Die Erfindung, die Lawrence zu internationalem Ruhm verhalf, begann mit einer Skizze auf einem Stück Papierserviette. Als Lawrence eines Abends im Jahr 1929 in der Bibliothek saß, sah er sich einen Zeitschriftenartikel von Rolf Widerøe an und war von einem der Diagramme fasziniert. Darin war ein Gerät abgebildet, das hochenergetische Teilchen durch eine Abfolge von kleinen "Stößen" erzeugte. Die abgebildete Vorrichtung war in einer geraden Linie mit immer längeren Elektroden angeordnet. Zu dieser Zeit begannen die Physiker mit der Erforschung des Atomkerns. Im Jahr 1919 hatte der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford Alphateilchen auf Stickstoff geschossen und Protonen aus einigen Kernen herausgeschlagen. Doch Kerne haben eine positive Ladung, die andere positiv geladene Kerne abstößt, und sie sind durch eine Kraft fest miteinander verbunden, die die Physiker gerade erst zu verstehen begannen. Um sie aufzubrechen, um sie zu zersetzen, wären viel höhere Energien in der Größenordnung von Millionen von Volt erforderlich.

Lawrence erkannte, dass ein solcher Teilchenbeschleuniger bald zu lang und unhandlich für sein Universitätslabor werden würde. Bei der Suche nach einer Möglichkeit, den Beschleuniger kompakter zu gestalten, beschloss Lawrence, eine kreisförmige Beschleunigungskammer zwischen die Pole eines Elektromagneten zu setzen. Das Magnetfeld würde die geladenen Protonen auf einer spiralförmigen Bahn halten, während sie zwischen nur zwei halbkreisförmigen Elektroden, die an ein Wechselpotential angeschlossen waren, beschleunigt wurden. Nach etwa hundert Umdrehungen würden die Protonen in Form eines Strahls hochenergetischer Teilchen auf das Ziel treffen. Lawrence erzählte seinen Kollegen begeistert, dass er eine Methode entdeckt hatte, um Teilchen mit sehr hoher Energie zu erzeugen, ohne dass eine Hochspannung benötigt wurde. Er arbeitete zunächst mit Niels Edlefsen zusammen. Ihr erstes Zyklotron bestand aus Messing, Draht und Siegellack und hatte einen Durchmesser von nur 10 cm - es konnte in einer Hand gehalten werden und kostete wahrscheinlich insgesamt 25 Dollar (entspricht 500 Dollar im Jahr 2022).

Um die Idee weiterzuentwickeln, brauchte Lawrence fähige Studenten, die die Arbeit übernehmen konnten. Edlefsen verließ das Institut im September 1930, um eine Assistenzprofessur anzutreten, und Lawrence ersetzte ihn durch David H. Sloan und M. Stanley Livingston, die er mit der Entwicklung von Widerøes Beschleuniger bzw. Edlefsens Zyklotron beauftragte. Beide hatten ihre eigene finanzielle Unterstützung. Beide Entwürfe erwiesen sich als praktikabel, und im Mai 1931 war Sloans Linearbeschleuniger in der Lage, Ionen auf 1 MeV zu beschleunigen. Livingston hatte eine größere technische Herausforderung zu bewältigen, aber als er am 2. Januar 1931 1.800 V an sein 11-Zoll-Zyklotron anlegte, brachte er Protonen mit 80.000 Elektronenvolt zum Kreisen. Eine Woche später hatte er 1,22 MeV mit 3.000 V, mehr als genug für seine Doktorarbeit über den Bau des Zyklotrons.

Entwicklung

Sobald sich ein erster Erfolg abzeichnete, begann Lawrence mit der Planung einer neuen, größeren Maschine, was zu einem wiederkehrenden Muster werden sollte. Lawrence und Livingston entwarfen Anfang 1932 einen Entwurf für ein 27-Zoll-Zyklotron (69 cm). Der Magnet für das 800 Dollar teure 11-Zoll-Zyklotron wog 2 Tonnen, aber Lawrence fand auf einem Schrottplatz in Palo Alto einen massiven 80-Tonnen-Magneten für das 27-Zoll-Zyklotron, der ursprünglich während des Ersten Weltkriegs gebaut worden war, um eine transatlantische Funkverbindung zu betreiben. Mit dem Zyklotron verfügte er über ein leistungsfähiges wissenschaftliches Instrument, das sich jedoch nicht in wissenschaftlichen Entdeckungen niederschlug. Im April 1932 gaben John Cockcroft und Ernest Walton vom Cavendish Laboratory in England bekannt, dass es ihnen gelungen war, Lithium mit Protonen zu beschießen und es in Helium umzuwandeln. Die benötigte Energie erwies sich als recht gering - sie lag weit unter den Möglichkeiten des 11-Zoll-Zyklotrons. Als Lawrence davon erfuhr, schickte er ein Telegramm nach Berkeley und bat darum, die Ergebnisse von Cockcroft und Walton zu überprüfen. Das Team brauchte bis September, um dies zu tun, vor allem wegen des Mangels an geeigneten Nachweisgeräten.

Obwohl Lawrences Strahlungslaboratorium weiterhin wichtige Entdeckungen vorenthalten blieben, was vor allem darauf zurückzuführen war, dass es sich auf die Entwicklung des Zyklotrons und nicht auf dessen wissenschaftliche Nutzung konzentrierte, konnte Lawrence mit seinen immer größeren Maschinen entscheidende Geräte für Experimente in der Hochenergiephysik bereitstellen. Um dieses Gerät herum baute er in den 1930er Jahren das weltweit bedeutendste Labor für das neue Forschungsgebiet der Kernphysik auf. 1934 erhielt er ein Patent für das Zyklotron, das er an die Research Corporation abtrat, eine private Stiftung, die einen Großteil von Lawrences früher Arbeit finanzierte.

Im Februar 1936 unterbreitete der Präsident der Harvard University, James B. Conant, Lawrence und Oppenheimer attraktive Angebote. Der Präsident der University of California, Robert Gordon Sproul, reagierte mit besseren Bedingungen. Das Strahlungslabor wurde am 1. Juli 1936 zu einer offiziellen Abteilung der Universität von Kalifornien, Lawrence wurde offiziell zu ihrem Direktor ernannt und erhielt einen Vollzeit-Assistenten. Die Universität erklärte sich bereit, 20.000 Dollar pro Jahr für die Forschungstätigkeit zur Verfügung zu stellen (was 2022 einem Betrag von 330.000 Dollar entspricht). Lawrence verfolgte ein einfaches Geschäftsmodell: "Er besetzte sein Labor mit Doktoranden und Nachwuchskräften der Physikabteilung, mit frischen Doktoranden, die bereit waren, für alles zu arbeiten, und mit Stipendiaten und wohlhabenden Gästen, die in der Lage waren, umsonst zu arbeiten."

Rezeption

Mit Hilfe des neuen 27-Zoll-Zyklotrons entdeckte das Team in Berkeley, dass jedes Element, das sie mit dem kürzlich entdeckten Deuterium beschossen, Energie abgab, und zwar im gleichen Bereich. Sie postulierten daher die Existenz eines neuen und bisher unbekannten Teilchens, das eine mögliche Quelle unbegrenzter Energie darstellt. William Laurence von der New York Times beschrieb Lawrence als "einen neuen Wundertäter der Wissenschaft". Auf Einladung von Cockcroft nahm Lawrence 1933 an der Solvay-Konferenz in Belgien teil. Dies war ein regelmäßiges Treffen der weltbesten Physiker. Fast alle kamen aus Europa, aber gelegentlich wurde auch ein herausragender amerikanischer Wissenschaftler wie Robert A. Millikan oder Arthur Compton zu dieser Konferenz eingeladen. Lawrence wurde gebeten, einen Vortrag über das Zyklotron zu halten. Lawrence' Behauptungen über die grenzenlose Energie stießen in Solvay auf ein ganz anderes Echo. James Chadwick vom Cavendish Laboratory, der Physiker, der 1932 das Neutron entdeckt hatte und dafür 1935 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet worden war, begegnete ihm mit vernichtender Skepsis. In einem britischen Akzent, der in Lawrences Ohren herablassend klang, behauptete Chadwick, dass es sich bei dem, was Lawrences Team beobachtete, um eine Verunreinigung ihrer Geräte handelte.

Als er nach Berkeley zurückkehrte, mobilisierte Lawrence sein Team, um die Ergebnisse akribisch zu überprüfen und genügend Beweise zu sammeln, um Chadwick zu überzeugen. In der Zwischenzeit fanden Rutherford und Mark Oliphant im Cavendish-Labor heraus, dass Deuterium zu Helium-3 verschmilzt, was den von den Zyklotronikern beobachteten Effekt verursacht. Chadwick hatte nicht nur Recht, dass sie eine Verunreinigung beobachtet hatten, sondern sie hatten noch eine weitere wichtige Entdeckung übersehen, nämlich die der Kernfusion. Lawrence reagierte darauf mit dem Bau noch größerer Zyklotrone. Das 27-Zoll-Zyklotron wurde im Juni 1937 von einem 37-Zoll-Zyklotron abgelöst, das wiederum im Mai 1939 von einem 60-Zoll-Zyklotron abgelöst wurde. Es wurde zur Beschießung von Eisen eingesetzt und produzierte im Juni seine ersten radioaktiven Isotope.

Da es einfacher war, Geld für medizinische Zwecke, insbesondere für die Krebsbehandlung, zu beschaffen als für die Kernphysik, förderte Lawrence die Nutzung des Zyklotrons für die medizinische Forschung. In Zusammenarbeit mit seinem Bruder John und Israel Lyon Chaikoff von der physiologischen Abteilung der Universität von Kalifornien unterstützte Lawrence die Forschung zur Verwendung radioaktiver Isotope für therapeutische Zwecke. Phosphor-32 konnte im Zyklotron leicht hergestellt werden, und John benutzte es, um eine Frau zu heilen, die an Polycythemia vera, einer Blutkrankheit, litt. John verwendete das im 37-Zoll-Zyklotron hergestellte Phosphor-32 im Jahr 1938 in Versuchen an leukämiekranken Mäusen. Er stellte fest, dass sich der radioaktive Phosphor in den schnell wachsenden Krebszellen anreicherte. Dies führte dann zu klinischen Versuchen an menschlichen Patienten. Eine 1948 durchgeführte Auswertung der Therapie zeigte, dass unter bestimmten Umständen Remissionen auftraten. Lawrence hoffte auch auf den medizinischen Einsatz von Neutronen. Der erste Krebspatient erhielt am 20. November eine Neutronentherapie mit dem 60-Zoll-Zyklotron. Chaikoff führte Versuche zur Verwendung von radioaktiven Isotopen als radioaktive Tracer durch, um den Mechanismus biochemischer Reaktionen zu erforschen.

Lawrence erhielt den Nobelpreis für Physik im November 1939 "für die Erfindung und Entwicklung des Zyklotrons und für die damit erzielten Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf künstliche radioaktive Elemente". Er war der erste Nobelpreisträger in Berkeley und der erste aus South Dakota, der an einer staatlich geförderten Universität geehrt wurde. Die Nobelpreisverleihung fand am 29. Februar 1940 in Berkeley, Kalifornien, aufgrund des Zweiten Weltkriegs im Auditorium der Wheeler Hall auf dem Campus der Universität statt. Lawrence erhielt seine Medaille von Carl E. Wallerstedt, dem schwedischen Generalkonsul in San Francisco. Robert W. Wood schrieb an Lawrence und bemerkte vorausschauend: "Da Sie die Grundlagen für die katastrophale Explosion des Urans legen ... Ich bin sicher, der alte Nobel würde das gutheißen."

Im März 1940 reisten Arthur Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton und Alfred Lee Loomis nach Berkeley, um Lawrences Vorschlag für ein 184-Zoll-Zyklotron mit einem 4.500-Tonnen-Magneten zu erörtern, dessen Kosten auf 2,65 Millionen Dollar geschätzt wurden (das entspricht 44.000.000 Dollar im Jahr 2022). Die Rockefeller Foundation stellte 1,15 Millionen Dollar zur Verfügung, um das Projekt in Gang zu bringen.

Der Zweite Weltkrieg und das Manhattan-Projekt

Strahlungslabor

Nach dem Ausbruch des Zweiten Weltkriegs in Europa wurde Lawrence in militärische Projekte einbezogen. Er half bei der Rekrutierung von Mitarbeitern für das MIT Radiation Laboratory, wo amerikanische Physiker das von Mark Oliphants Team in Großbritannien erfundene Hohlraummagnetron entwickelten. Der Name des neuen Labors wurde aus Sicherheitsgründen absichtlich von Lawrence' Labor in Berkeley übernommen. Er beteiligte sich auch an der Rekrutierung von Mitarbeitern für Unterwasserschalllabors, die Techniken zum Aufspüren deutscher U-Boote entwickeln sollten. Unterdessen wurde in Berkeley weiter an Zyklotronen gearbeitet. Im Dezember 1940 beschossen Glenn T. Seaborg und Emilio Segrè mit dem 60-Zoll-Zyklotron (150 cm) Uran-238 mit Deuteronen und erzeugten dabei ein neues Element, Neptunium-238, das durch Betastrahlung zu Plutonium-238 zerfiel. Eines seiner Isotope, Plutonium-239, kann durch Kernspaltung erzeugt werden, was eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer Atombombe darstellt.

Lawrence bot Segrè eine Stelle als Forschungsassistent an - eine relativ niedrige Position für jemanden, der ein Element entdeckt hatte - für 300 US-Dollar pro Monat für sechs Monate. Als Lawrence jedoch erfuhr, dass Segrè legal in Kalifornien gefangen war, reduzierte er Segrès Gehalt weiter auf 116 US-Dollar pro Monat. Als die Regenten der Universität von Kalifornien Segrè wegen seiner ausländischen Staatsangehörigkeit entlassen wollten, gelang es Lawrence, Segrè zu halten, indem er ihn als Teilzeitdozent anstellte, der von der Rockefeller-Stiftung bezahlt wurde. Ähnliche Vereinbarungen wurden getroffen, um seine Doktoranden Chien-Shiung Wu (ein chinesischer Staatsangehöriger) und Kenneth Ross MacKenzie (ein kanadischer Staatsangehöriger) zu behalten, als sie ihren Abschluss machten.

Im September 1941 traf Oliphant mit Lawrence und Oppenheimer in Berkeley zusammen, wo sie ihm den Standort für das neue 4,7-m-Zyklotron zeigten. Oliphant wiederum warf den Amerikanern vor, den Empfehlungen des britischen MAUD-Ausschusses, der ein Programm zur Entwicklung einer Atombombe befürwortete, nicht gefolgt zu sein. Lawrence hatte bereits über das Problem der Trennung des spaltbaren Isotops Uran-235 von Uran-238 nachgedacht, ein Prozess, der heute als Urananreicherung bekannt ist. Die Trennung der Uranisotope war schwierig, weil die beiden Isotope nahezu identische chemische Eigenschaften haben und nur schrittweise durch ihre geringen Massenunterschiede getrennt werden konnten. Die Trennung der Isotope mit einem Massenspektrometer war eine Technik, die Oliphant 1934 für Lithium entwickelt hatte.

Lawrence begann, sein altes 37-Zoll-Zyklotron in ein riesiges Massenspektrometer umzubauen. Auf seine Empfehlung hin ernannte der Direktor des Manhattan-Projekts, Brigadegeneral Leslie R. Groves Jr., Oppenheimer zum Leiter des Los Alamos Laboratory in New Mexico. Während das Strahlungslabor das elektromagnetische Verfahren zur Urananreicherung entwickelte, entwarf und baute das Los Alamos Laboratory die Atombomben. Wie das Strahlungslabor wurde es von der Universität von Kalifornien geleitet.

Für die elektromagnetische Isotopentrennung wurden Geräte verwendet, die als Calutrons bekannt sind, eine Mischung aus zwei Laborgeräten, dem Massenspektrometer und dem Zyklotron. Der Name wurde von "California university cyclotrons" abgeleitet. Im November 1943 wurde das Team von Lawrence in Berkeley durch 29 britische Wissenschaftler, darunter Oliphant, verstärkt.

Beim elektromagnetischen Verfahren lenkte ein Magnetfeld geladene Teilchen entsprechend ihrer Masse ab. Das Verfahren war weder wissenschaftlich elegant noch industriell effizient. Im Vergleich zu einer Gasdiffusionsanlage oder einem Kernreaktor würde eine elektromagnetische Trennanlage mehr knappe Materialien verbrauchen, mehr Arbeitskräfte für den Betrieb erfordern und höhere Baukosten verursachen. Dennoch wurde das Verfahren genehmigt, weil es auf einer bewährten Technologie basierte und daher weniger Risiken barg. Außerdem konnte es schrittweise gebaut werden und würde schnell eine industrielle Kapazität erreichen.

Oak Ridge

Die Verantwortung für die Planung und den Bau der elektromagnetischen Trennanlage in Oak Ridge, Tennessee, die später Y-12 genannt wurde, wurde Stone & Webster übertragen. Die Kalutronen, für die 14.700 Tonnen Silber benötigt wurden, wurden von Allis-Chalmers in Milwaukee hergestellt und nach Oak Ridge verschifft. Der Entwurf sah fünf Einheiten für die erste Verarbeitungsstufe, die so genannten Alpha-Racetracks, und zwei Einheiten für die Endverarbeitung, die so genannten Beta-Racetracks, vor. Im September 1943 genehmigte Groves den Bau von vier weiteren Rennstrecken, die als Alpha II bezeichnet wurden. Als die Anlage im Oktober 1943 planmäßig zu Testzwecken in Betrieb genommen wurde, gerieten die 14 Tonnen schweren Vakuumtanks durch die Kraft der Magnete aus der Flucht und mussten fester befestigt werden. Ein schwerwiegenderes Problem ergab sich, als die Magnetspulen einen Kurzschluss erlitten. Im Dezember ordnete Groves an, einen Magneten aufzubrechen, und im Inneren fand man eine Handvoll Rost. Groves ordnete daraufhin an, die Rennbahnen abzureißen und die Magnete zur Reinigung ins Werk zurückzuschicken. Vor Ort wurde eine Beizanlage eingerichtet, um die Rohre und Armaturen zu reinigen.

Tennessee Eastman wurde mit der Leitung von Y-12 beauftragt. Y-12 reicherte den Uran-235-Gehalt zunächst auf 13 % bis 15 % an und lieferte im März 1944 die ersten paar hundert Gramm davon an das Labor in Los Alamos. Nur einer von 5.825 Teilen der Uranzufuhr wurde zum Endprodukt. Der Rest wurde bei der Verarbeitung auf die Geräte verspritzt. Dank intensiver Rückgewinnungsbemühungen konnte die Produktion bis Januar 1945 auf 10 % des Uran-235-Einsatzmaterials gesteigert werden. Im Februar begannen die Alpha-Rennstrecken mit leicht angereichertem (1,4%) Einsatzmaterial aus der neuen thermischen Diffusionsanlage S-50. Im darauffolgenden Monat wurde die Anlage mit angereichertem Material (5 %) aus der Gasdiffusionsanlage K-25 versorgt. Im April 1945 produzierte K-25 ausreichend angereichertes Uran, um es direkt in die Beta-Rennstrecken einzuspeisen.

Am 16. Juli 1945 beobachtete Lawrence zusammen mit Chadwick und Charles A. Thomas den Trinity-Test der ersten Atombombe. Nur wenige waren von diesem Erfolg mehr begeistert als Lawrence. Die Frage, wie die nun funktionsfähige Waffe gegen Japan eingesetzt werden sollte, wurde zu einem Problem für die Wissenschaftler. Während Oppenheimer dafür plädierte, den japanischen Führern die Macht der neuen Waffe nicht zu demonstrieren, war Lawrence der festen Überzeugung, dass eine Demonstration klug wäre. Als eine Uranbombe ohne Vorwarnung bei dem Atombombenabwurf auf Hiroshima eingesetzt wurde, war Lawrence sehr stolz auf seine Leistung.

Lawrence hoffte, dass im Rahmen des Manhattan-Projekts verbesserte Kalutronen entwickelt und Alpha-III-Rennstrecken gebaut werden würden, aber diese wurden als unwirtschaftlich eingestuft. Die Alpha-Rennstrecken wurden im September 1945 stillgelegt. Obwohl sie leistungsfähiger waren als je zuvor, konnten sie nicht mit der K-25 und der neuen K-27 konkurrieren, die im Januar 1946 in Betrieb genommen wurde. Im Dezember wurde die Anlage Y-12 geschlossen, wodurch die Zahl der Beschäftigten in Tennessee Eastman von 8.600 auf 1.500 sank und 2 Millionen Dollar pro Monat eingespart wurden. Die Zahl der Mitarbeiter des Strahlungslabors sank von 1.086 im Mai 1945 auf 424 am Ende des Jahres.

Nachkriegs-Karriere

Große Wissenschaft

Nach dem Krieg setzte sich Lawrence ausgiebig für die staatliche Förderung großer wissenschaftlicher Programme ein. Er war ein vehementer Verfechter der "Big Science" mit ihren Anforderungen an große Maschinen und viel Geld, und 1946 bat er das Manhattan-Projekt um mehr als 2 Millionen Dollar für die Forschung am Radiation Laboratory (das entspricht 23.000.000 Dollar im Jahr 2022). Groves bewilligte das Geld, strich aber eine Reihe von Programmen, darunter Seaborgs Vorschlag für ein "heißes" Strahlungslabor im dicht besiedelten Berkeley und John Lawrences für die Herstellung medizinischer Isotope, da dieser Bedarf nun besser durch Kernreaktoren gedeckt werden konnte. Ein Hindernis war die Universität von Kalifornien, die sich von ihren militärischen Verpflichtungen aus Kriegszeiten trennen wollte. Lawrence und Groves gelang es, Sproul davon zu überzeugen, einer Vertragsverlängerung zuzustimmen. 1946 gab das Manhattan-Projekt für jeden von der Universität ausgegebenen Dollar 7 Dollar für die Physik an der Universität von Kalifornien aus.

Für die meisten seiner Kollegen schien Lawrence fast eine Abneigung gegen mathematisches Denken zu haben. Er hatte eine höchst ungewöhnliche intuitive Herangehensweise an komplizierte physikalische Probleme, und wenn man ihm neue Ideen erläuterte, lernte man schnell, das Thema nicht durch das Aufschreiben der Differentialgleichung zu vernebeln, die die Situation zu klären scheinen könnte. Lawrence sagte immer, er wolle nicht mit mathematischen Details belästigt werden, sondern "erklären Sie mir die Physik des Problems". Man konnte jahrelang in seiner Nähe leben und ihn für einen mathematischen Analphabeten halten, dann aber feststellen, wie gut er die Mathematik der klassischen Elektrizität und des Magnetismus noch beherrschte.

Luis Alvarez

Das 184-Zoll-Zyklotron wurde mit Kriegsgeldern aus dem Manhattan-Projekt fertiggestellt. Es enthielt neue Ideen von Ed McMillan und wurde als Synchrozyklotron fertiggestellt. Es wurde am 13. November 1946 in Betrieb genommen. Zum ersten Mal seit 1935 beteiligte sich Lawrence aktiv an den Experimenten und arbeitete mit Eugene Gardner an einem erfolglosen Versuch, mit dem Synchrotron die kürzlich entdeckten Pi-Mesonen zu erzeugen. César Lattes nutzte dann die von ihnen geschaffene Apparatur, um 1948 negative pi-Mesonen zu finden.

Die Verantwortung für die nationalen Laboratorien ging am 1. Januar 1947 auf die neu gegründete Atomic Energy Commission (AEC) über. In diesem Jahr bat Lawrence um 15 Millionen Dollar für seine Projekte (das entspricht 155.000.000 Dollar im Jahr 2022), darunter ein neuer Linearbeschleuniger und ein neues Gigaelektronenvolt-Synchrotron, das als Bevatron bekannt wurde. Der Vertrag der Universität von Kalifornien mit der Leitung des Labors in Los Alamos lief am 1. Juli 1948 aus, und einige Vorstandsmitglieder wollten die Universität von der Verantwortung für den Betrieb eines Standorts außerhalb Kaliforniens entbinden. Nach einigen Verhandlungen erklärte sich die Universität bereit, den Vertrag für das heutige Los Alamos National Laboratory um vier weitere Jahre zu verlängern und Norris Bradbury, der im Oktober 1945 Oppenheimer als Direktor abgelöst hatte, zum Professor zu ernennen. Bald darauf erhielt Lawrence alle von ihm beantragten Mittel.

Ungeachtet der Tatsache, dass er für Franklin Roosevelt gestimmt hatte, war Lawrence ein Republikaner, der Oppenheimers Bemühungen vor dem Krieg, die Arbeiter des Strahlungslabors gewerkschaftlich zu organisieren, stark missbilligte, was Lawrence als "linksgerichtete Aktivitäten" betrachtete. Lawrence hielt politische Aktivitäten für eine Zeitverschwendung, die besser in die wissenschaftliche Forschung investiert werden sollte, und zog es vor, sie aus dem Strahlungslabor herauszuhalten. Im kühlen Klima des Kalten Krieges an der University of California der Nachkriegszeit akzeptierte Lawrence die Maßnahmen des House Un-American Activities Committee als legitim und sah sie nicht als Anzeichen für ein systematisches Problem der akademischen Freiheit oder der Menschenrechte. Er schützte Einzelpersonen in seinem Labor, aber noch mehr schützte er den Ruf des Labors. Er war gezwungen, Mitarbeiter des Strahlungslabors wie Robert Serber zu verteidigen, gegen die der Personalsicherheitsausschuss der Universität ermittelt hatte. In mehreren Fällen stellte er Leumundszeugnisse zur Unterstützung der Mitarbeiter aus. Lawrence verbot jedoch Robert Oppenheimers Bruder Frank den Zutritt zum Strahlungslabor und schädigte damit seine Beziehung zu Robert. Eine erbitterte Loyalitätseid-Kampagne an der Universität von Kalifornien vertrieb auch Fakultätsmitglieder. Als Anhörungen abgehalten wurden, um Robert Oppenheimers Sicherheitsfreigabe zu widerrufen, nahm Lawrence aus Krankheitsgründen nicht teil, doch wurde in seiner Abwesenheit eine Abschrift vorgelegt, in der er sich kritisch über Oppenheimer äußerte. Lawrences Erfolg beim Aufbau eines kreativen, kooperativen Labors wurde durch die Missgunst und das Misstrauen untergraben, die aus den politischen Spannungen resultierten.

Thermonukleare Waffen

Lawrence war durch den ersten Atomtest der Sowjetunion im August 1949 alarmiert. Er kam zu dem Schluss, dass die richtige Antwort darin bestand, eine größere Atomwaffe zu bauen: die Wasserstoffbombe. Er schlug vor, Beschleuniger anstelle von Kernreaktoren zu verwenden, um die Neutronen zu erzeugen, die für die Herstellung des für die Bombe benötigten Tritiums und Plutoniums erforderlich waren, was schwieriger war, da viel höhere Energien benötigt wurden. Er schlug zunächst den Bau von Mark I vor, einem 7 Millionen Dollar teuren Prototyp eines linearen Beschleunigers mit 25 MeV, der den Codenamen Materials Test Accelerator (MTA) erhielt. Schon bald sprach er von einem neuen, noch größeren MTA, dem Mark II, der Tritium oder Plutonium aus abgereichertem Uran-238 erzeugen könnte. Serber und Segrè versuchten vergeblich, die technischen Probleme zu erklären, die das Projekt unpraktisch machten, aber Lawrence hielt sie für unpatriotisch.

Lawrence unterstützte nachdrücklich Edward Tellers Kampagne für ein zweites Kernwaffenlabor, das Lawrence zusammen mit der MTA Mark I in Livermore, Kalifornien, ansiedeln wollte. Lawrence und Teller mussten sich nicht nur mit der Atomenergiekommission, die das Labor nicht wollte, und dem Los Alamos National Laboratory, das unerbittlich dagegen war, auseinandersetzen, sondern auch mit Befürwortern, die der Meinung waren, dass Chicago der naheliegendere Standort dafür sei. Das neue Labor in Livermore wurde schließlich am 17. Juli 1952 genehmigt, aber die Mark II MTA wurde gestrichen. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Atomenergiekommission bereits 45 Millionen Dollar für die Mark I ausgegeben, die ihren Betrieb aufgenommen hatte, aber hauptsächlich zur Herstellung von Polonium für das Kernwaffenprogramm verwendet wurde. In der Zwischenzeit hatte das Cosmotron des Brookhaven National Laboratory einen 1 GeV-Strahl erzeugt.

Tod und Vermächtnis

Neben dem Nobelpreis erhielt Lawrence 1937 die Elliott-Cresson-Medaille und die Hughes-Medaille, 1938 den Comstock-Preis für Physik, 1940 die Duddell-Medaille und den Preis, 1942 die Holley-Medaille, 1946 die Verdienstmedaille, 1951 den William-Procter-Preis, 1952 die Faraday-Medaille und 1957 den Enrico-Fermi-Preis der Atomenergiekommission. 1934 wurde er zum Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten und 1937 sowohl der American Academy of Arts and Sciences als auch der American Philosophical Society gewählt. Er wurde 1948 zum Offizier der Ehrenlegion ernannt und war 1958 der erste Träger des Sylvanus Thayer Award der US-Militärakademie.

Im Juli 1958 bat Präsident Dwight D. Eisenhower Lawrence, nach Genf in die Schweiz zu reisen, um bei den Verhandlungen mit der Sowjetunion über einen Teilvertrag zum Verbot von Nuklearversuchen zu helfen. Der AEC-Vorsitzende Lewis Strauss hatte auf Lawrence' Teilnahme gedrängt. Die beiden Männer hatten sich für die Entwicklung der Wasserstoffbombe eingesetzt, und Strauss hatte 1939 geholfen, Mittel für Lawrences Zyklotron zu beschaffen. Strauss war sehr daran interessiert, Lawrence in die Genfer Delegation aufzunehmen, da Lawrence dafür bekannt war, dass er weitere Atomtests befürwortete. Obwohl Lawrence unter einem schweren Aufflackern seiner chronischen Colitis ulcerosa litt, entschloss er sich zur Teilnahme, doch in Genf erkrankte er und wurde in das Krankenhaus der Stanford University eingeliefert. Die Chirurgen entfernten einen großen Teil seines Dickdarms, stellten aber auch andere Probleme fest, darunter eine schwere Atherosklerose in einer seiner Arterien. Er starb am 27. August 1958, neunzehn Tage nach seinem 57. Geburtstag, im Krankenhaus von Palo Alto. Geburtstag. Molly wollte keine öffentliche Beerdigung, stimmte aber einem Gedenkgottesdienst in der First Congregational Church in Berkeley zu. Der Präsident der University of California, Clark Kerr, hielt die Trauerrede.

Fast unmittelbar nach Lawrences Tod beschlossen die Regenten der University of California, zwei der Kernforschungslabors der Universität nach Lawrence zu benennen: das Lawrence Livermore National Laboratory und das Lawrence Berkeley National Laboratory. Zu seinem Gedenken wurde 1959 der Ernest Orlando Lawrence Award ins Leben gerufen. Das chemische Element Nummer 103, das 1961 im Lawrence Berkeley National Laboratory entdeckt wurde, wurde nach ihm Lawrencium genannt. 1968 wurde ihm zu Ehren die Lawrence Hall of Science, ein öffentliches wissenschaftliches Bildungszentrum, errichtet. Sein Nachlass befindet sich in der Bancroft Library an der University of California in Berkeley.

In den 1980er Jahren beantragte Lawrences Witwe mehrmals beim University of California Board of Regents, den Namen ihres Mannes aus dem Lawrence Livermore Laboratory zu entfernen, da es sich auf Kernwaffen konzentrierte, an deren Bau Lawrence beteiligt war, was jedoch jedes Mal abgelehnt wurde. Sie überlebte ihren Mann um mehr als 44 Jahre und starb am 6. Januar 2003 im Alter von 92 Jahren in Walnut Creek, Kalifornien.

George B. Kauffman hat das geschrieben:

Vor ihm wurde die "kleine Wissenschaft" weitgehend von Einzelpersonen betrieben, die mit bescheidenen Mitteln in kleinem Maßstab arbeiteten. Nach ihm wurde die "große Wissenschaft", die von großen Forschungsteams betrieben wurde, durch die massiven Ausgaben der Industrie und insbesondere der Regierungen für Arbeitskräfte und finanzielle Mittel zu einem wichtigen Segment der Volkswirtschaft.

Lawrence wird von Josh Hartnett in Christopher Nolans Film Oppenheimer aus dem Jahr 2023 dargestellt.