エドウィン・マクミラン

エドウィン・マクミラン
1951年のマクミラン
生まれる	エドウィン・マティソン・マクミラン ( 1907-09-18 )1907年9月18日 米国カリフォルニア州レドンドビーチ
死亡	1991年9月7日(1991-09-07)（享年83歳） エルセリート、カリフォルニア州、米国
教育	カリフォルニア工科大学(学士、修士) プリンストン大学(博士)
知られている	最初の超ウラン元素であるネプツニウムの発見シンクロサイクロトロン
受賞歴	ノーベル化学賞（1951年） 原子力平和賞（1963年）アメリカ 国家科学賞（1990年）
科学者としてのキャリア
フィールド	化学
機関	カリフォルニア大学バークレー校 バークレー放射線研究所
論文	不均一電場における HCI 分子ビームの偏向 (1933)
博士課程の指導教員	エドワード・コンドン

エドウィン・マティソン・マクミラン（1907年9月18日 - 1991年9月7日）は、超ウラン元素であるネプツニウムを初めて発見したアメリカの物理学者であり、この功績により、1951年のノーベル化学賞をグレン・シーボーグと共同受賞した。

カリフォルニア工科大学卒業後、1933年にプリンストン大学で博士号を取得し、バークレー放射線研究所に入所して酸素15とベリリウム10を発見した 。第二次世界大戦中は、MIT放射線研究所でマイクロ波レーダーの研究を、その後海軍無線音響研究所でソナーの研究に従事した。1942年にマンハッタン計画に参加し、戦時中の原子爆弾製造計画に参加して、爆弾の設計を行うロスアラモス研究所の設立に尽力した。銃型核兵器の設計に取り組むチームを率いたほか、爆縮型核兵器の開発にも参加した。

マクミランはウラジミール・ベクスラーと共同でシンクロトロンを発明し、戦後はバークレー放射線研究所に戻ってシンクロトロンの製作に携わった。1954年に放射線研究所の副所長に任命され、1958年に副所長に昇進した。同年後半に研究所創設者アーネスト・ローレンスが死去すると所長となり、1973年に引退するまで所長を務めた。

マクミランは1907年9月18日、カリフォルニア州レドンドビーチで、エドウィン・ハーボー・マクミランとその妻アンナ・マリー・マクミラン（旧姓マティソン）の息子として生まれた。 ^[1]彼にはキャサリン・ヘレンという妹がおり、その息子ジョン・クラウザー（マクミランの甥）は2022年にノーベル物理学賞を受賞した。

マクミランの父親は医師であり、父親の双子の兄弟と母親の3人の兄弟も医師であった。1908年10月18日、家族はカリフォルニア州パサデナに転居し、マクミランは1913年から1918年までマッキンリー小学校に通い、1918年から1920年までグラント学校に通い、その後パサデナ高等学校に進学し、1924年に卒業した。^[2]

カリフォルニア工科大学（Caltech）は彼の家からわずか1マイルのところにあり、彼はそこでいくつかの公開講義に出席した。^[3]彼は1924年にCaltechに入学した。彼は学部生としてライナス・ポーリングと研究プロジェクトを行い、1928年に理学士号 、 1929年に理学修士号を取得し、 ^[1]「岩石中のラジウム含有量の測定方法の改良」という未発表の論文を書いた。^[4]その後、彼は1933年にプリンストン大学で哲学博士号を取得し、エドワード・コンドンの指導の下、「不均一な電場におけるHCI分子ビームの偏向」という論文を書いた。^{[5] [6]}

1932年、マクミランは全米研究会議のフェローシップを受賞し、博士研究員として希望の大学に通うことができた。博士号を取得したマクミランは、1933年1月12日まで正式に受理されなかったものの、^[2]カリフォルニア大学バークレー校のアーネスト・ローレンスから、前年にローレンスが設立したバークレー放射線研究所に加わらないかという申し出を受けた。 ^{[7]マクミランの最初の研究は、}陽子の磁気モーメントを測定することだったが、オットー・スターンとイマニュエル・エステルマンが先にこの測定を行なった。^{[2] [8]}

当時の放射線研究所の主な焦点はサイクロトロンの開発であり、1935年にバークレーの教授に任命されたマクミランはすぐにその取り組みに加わった。彼の機器に関するスキルは前面に出て、サイクロトロンの改良に貢献した。特に、彼はサイクロトロンを調整して均一な磁場を生成する「シミング」プロセスの開発に貢献した。 ^[6] M.スタンレー・リビングストンと共同で、彼は陽電子を放出する酸素同位体である酸素15を発見した。これを生成するため、彼らは窒素ガスに重陽子を衝突させた。これを水素と酸素と混合して水を作り、それを吸湿性の塩化カルシウムで集めた。放射能はその中に濃縮されていることがわかり、それが酸素にあることが証明された。これに続いて、フッ素に陽子を衝突させることで生成されるガンマ線の吸収が調査された。 ^[8]

1935年、マクミラン、ローレンス、ロバート・ソーントンは重陽子ビームを用いたサイクロトロン実験を行い、一連の予想外の結果を生み出した。重陽子は標的の原子核と融合し、陽子を放出しながら標的をより重い同位体に変換した。彼らの実験は、重陽子と標的の原子核の間のクーロン障壁の単純な計算から予想されるよりも低いエネルギーでの原子核相互作用を示した。バークレーの理論物理学者ロバート・オッペンハイマーと大学院生メルバ・フィリップスは、この現象を説明するためにオッペンハイマー・フィリップス過程を開発した。^[9]マクミランは1936年に助教授となり、 1941年に准教授となった。 ^[1]サミュエル・ルーベンとともに、 1940年にベリリウム10同位体を発見した。^{[6]これは興味深いものであると同時に、}半減期が約139万年と非常に長いため、分離が困難であった。 ^[10]

1939年にオットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンがウランの核分裂を発見した後、マクミランはウランの実験を始めた。彼は、放射線研究所の37インチ（94 cm）サイクロトロンでベリリウムに重陽子を照射して生成した中性子をウランに照射した。ハーンとシュトラスマンが報告した核分裂生成物に加えて、彼らは2つの珍しい放射性同位体を検出した。1つは半減期が約2.3日で、もう1つは約23分であった。マクミランは、この短寿命同位体をハーンとシュトラスマンが報告していたウラン239と特定した。マクミランは、もう1つは原子番号93の新しい未発見元素の同位体ではないかと疑った。^[11]

当時、元素93はレニウムと化学的性質が似ていると考えられていたため、マクミランは同族元素テクネチウムの発見で同族元素の専門家となったエミリオ・セグレと共同研究を始めた。両科学者は当時の理論に基づいて研究を開始したが、セグレはすぐにマクミランのサンプルがレニウムとは全く似ていないことを突き止めた。代わりに、強力な酸化剤の存在下でフッ化水素(HF)と反応させたところ、レニウムは希土類元素のような挙動を示した。^[12]これらが核分裂生成物の大部分を占めることから、セグレとマクミランは半減期は単なる別の核分裂生成物に違いないと判断し、論文に「超ウラン元素の失敗した探索」というタイトルを付けた。^[13]

マクミランは、1939年のセグレとの研究で、放射性物質の化学反応を厳密に試験しきれなかったことに気づいた。新たな実験で、マクミランは、それまで試したことのない、還元剤の存在下で未知の物質をHFにさらすことを試みた。この反応により、サンプルはHFとともに沈殿し、この作用により、未知の物質が希土類元素である可能性は明確に排除された。1940年5月、ワシントンDCのカーネギー研究所のフィリップ・アベルソンが短い休暇でバークレーを訪れ、2人は共同研究を始めた。アベルソンは、半減期が2.3日の同位体は既知の元素のような化学的性質を持たず、希土類元素よりもウランに似ていることを観察した。これにより、放射性物質を分離することができ、後に1945年にアクチノイド系列の分類につながった。最終段階として、マクミランとアベルソンは、 ²³⁹ Uからの顕著な 23 分間の半減期を持つ、はるかに大きな照射ウランサンプルを準備し、次の反応を通じて、23 分間の活動の減少と連動して、未知の 2.3 日間の半減期が強くなることを明確に実証しました。

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^- ][23\ {\ce {min}}] {\overset {ネプツニウム}{^{239}_{93}Np}}->[\beta^-][2.355\ {\ce {日}}] {}^{239}_{94}プ}}}$

これにより、未知の放射性物質はウランの崩壊に由来することが判明し、その発生源が既知の元素と化学的に異なるという以前の観察と相まって、新しい元素が発見されたことが疑いなく証明された。マクミランとアベルソンは、1940年5月27日にフィジカル・レビュー誌に「放射性元素93 」と題する論文を発表した^{。[12] [14]}彼らは論文の中でその元素の名前を提案しなかったが、すぐに「ネプツニウム」に決めた。ウランは天王星にちなんで名付けられており、海王星は太陽系の次の惑星だからである。^[15]この時点でマクミランは突然戦争関連の仕事に就き、グレン・シーボーグが研究を続け、2番目の超ウラン元素であるプルトニウムを発見した。1951年、マクミランは「超ウラン元素の化学における発見」によりシーボーグとノーベル化学賞を共同受賞した。^[16]

マクミランの突然の離脱は、ヨーロッパで第二次世界大戦が勃発したことによる。1940年11月、彼はマサチューセッツ州ケンブリッジのMIT放射線研究所で働き始め、そこで第二次世界大戦中に航空機搭載用マイクロ波レーダーの開発と試験に参加した。^{[7]彼は1941年4月に、古い}ダグラスB-18ボロ中型爆撃機からレーダーを作動させて試験を行った。ルイス・ウォルター・アルバレスとヒュー・ダウディング空軍大将とともにニューロンドン海軍潜水艦基地上空を飛行し、レーダーが部分的に水没した潜水艦の司令塔を探知できることを示した。 ^[17]マクミランは1941年6月7日、コネチカット州ニューヘイブンでエルシー・ウォルフォード・ブルーマーと結婚した。^{[18] [17]父は}イェール大学医学部名誉学部長のジョージ・ブルーマー。^[1]妹のメアリーはローレンスの妻である。^[19]マクミラン夫妻にはアン・ブラッドフォード、デイビッド・マティソン、スティーブン・ウォーカーの3人の子供がいた。^{[1] [20]}

マクミランは1941年8月にサンディエゴ 近郊の海軍無線音響研究所に入所した。そこで彼はポリスコープと呼ばれる装置の開発に取り組んだ。ローレンスが考案したこのアイデアは、ソナーを使って周囲の水面の映像を作るというものだった。これはレーダーを使うよりもはるかに難しいことがわかった。水中の物体や水温の変化によって音速が変化するからだ。ポリスコープは実用的ではないことがわかり、放棄された。しかし彼は潜水艦乗組員用のソナー訓練装置も開発し、特許を取得した。^{[17] [21] [15]}

オッペンハイマーは1942年9月、戦時中の原子爆弾製造計画であるマンハッタン計画にマクミランを参加させた。当初、彼は家族が住んでいたサンディエゴとバークレーを行き来していた。^{[17] 11月、彼はオッペンハイマーに同行して}ニューメキシコへ行き、ロスアラモス牧場学校が同計画の兵器研究施設の建設地に選ばれ、これがロスアラモス研究所となった。^[22]彼はオッペンハイマーとジョン・H・マンリーとともに、新しい研究所の技術棟の仕様を作成した。^[23]彼はリチャード・ファインマンやロバート・R・ウィルソンを含む研究所の人員を募集し、アンカー牧場として知られる試験場を設立し、工作機械からサイクロトロンまでの技術設備を求めて国中をくまなく探した。^[24]

研究所が形を整えるにつれ、マクミランは兵器専門家である海軍大佐ウィリアム・S・パーソンズの下で、砲型核兵器開発の副責任者となった。[24] コードネーム「シンマン」のプルトニウム砲[25]には、少なくとも毎秒^3,000フィート（⁹¹⁰メートル）の砲口速度が必要であり、彼らはこれを海軍の3インチ対空砲を改造することで達成したいと考えた。代替案は、爆縮型核兵器を作ることだった。マクミランは、セス・ネダーマイヤーが行ったこの概念のテストを見て、これに早くから興味を示した。結果は期待外れだった。単純な爆発では、歪んだ形になった。^[26]ジョン・フォン・ノイマンは、 1943年9月に爆縮プログラムを検討し、爆発レンズを含む根本的な解決策を提案した。これには爆発物に関する専門知識が必要であり、マクミランはオッペンハイマーにジョージ・キスティアコウスキーを招聘するよう促した。 [ ^27]キスティアコウスキーは1944年2月16日に研究所に加わり、パーソンズのE（爆発物）部門は2つに分割され、マクミランが銃の副官、キスティアコウスキーが爆縮の副官となった。 ^[28]

1944年4月、マクミランは不安な知らせを聞き、セグレと協議するためにパハリト・キャニオンまで車で向かった。セグレのグループはマンハッタン計画の原子炉で生成されたプルトニウムのサンプルを検査し、自発核分裂を引き起こす同位体であるプルトニウム240が大量に含まれており、シンマンは実用的でないことを発見した。 ^[29] 1944年7月、オッペンハイマーは爆縮に全力を注ぐために研究所を再編した。マクミランは引き続きガンタイプの兵器を担当し、^[30]ウラン235のみを使用するようになった。こうして、シンマンはリトルボーイと呼ばれる新しい縮小設計に置き換えられた。^[31]マクミランはG（ガジェット）部門内のG-3グループの責任者として爆縮にも関与し、爆縮の測定とタイミングの取得を担当し、^{[32]カリフォルニア工科大学が実施していた航空実験プログラムである}キャメル計画との研究所の連絡役を務めた。1945年7月16日、彼は最初の爆縮爆弾が成功裏に爆発したトリニティ核実験に立ち会った。 ^[33]

1945 年 6 月、マクミランの考えは再びサイクロトロンに向けられ始めた。時が経つにつれ、サイクロトロンはどんどん大型化していった。放射線研究所では 184 インチのサイクロトロンが建設中だったが、彼は粒子を加速するエネルギーをより効率的に利用できることに気づいた。使用する磁場を変化させることで、粒子を安定した軌道で動かすことができ、同じエネルギー入力でより高いエネルギーを達成できる。彼はこれを「位相安定原理」と名付け、新しい設計を「シンクロトロン」と名付けた。^{[34] [35]}マクミランは知らなかったが、シンクロトロンの原理はウラジミール・ベクスラーによって既に発明されており、ベクスラーは 1944 年にその提案を発表していた。^[36]マクミランは 1945 年 10 月にベクスラーの論文を知った。^[17] 2 人は文通を始め、やがて友人になった。 1963年、二人はシンクロトロンの発明により「平和のための原子力賞」を共同受賞した。 ^{[37] 1964年、マクミランは}アメリカ功績アカデミーのゴールデンプレート賞を受賞した。^[38]

マクミランが1945年9月に放射線研究所に戻った後、位相安定原理はバークレーの古い37インチサイクロトロンでテストされた。それが機能することがわかり、184インチサイクロトロンも同様に改造された。^{[34] [17]}彼は1946年に教授になった。1954年に放射線研究所の副所長に任命された。1958年に副所長に昇進した。その年ローレンスが亡くなった後、彼は所長となり、1973年に引退するまでその職に留まった。研究所は1958年にローレンス放射線研究所と改名された。1970年にローレンスバークレー研究所とローレンスリバモア研究所に分割され、マクミランは前者の所長になった。^{[1] [37] [39]}

マクミランは1947年に米国科学アカデミーに選出され、1968年から1971年まで会長を務めた。^[40] 1952年にはアメリカ哲学協会に選出された。 ^{[41] 1954年から1958年までは}原子力委員会の影響力のある一般諮問委員会（GAC）に、 1960年から1967年までは国際純粋・応用物理学連合の高エネルギー物理学委員会に務めた。 ^[42] 1962年にはアメリカ芸術科学アカデミー に選出された。^[43] 1974年にバークレー校の教授を退職した後、1974年から1975年まで欧州原子核研究機構（CERN）に勤務し、ミューオンの磁気モーメントを測定するgマイナス2実験に取り組んだ。 1990年にアメリカ国家科学賞を受賞した。^[37]

マクミランは1984年に脳卒中を初めて患った。^[37]彼は1991年9月7日、カリフォルニア州エルセリートの自宅で糖尿病の合併症により亡くなった。遺族には妻と3人の子供がいた。 ^[20]彼のノーベル賞金メダルはワシントンDCのスミソニアン博物館の一部門である国立アメリカ歴史博物館に所蔵されている。^[44]

• McMillan, EM「線形加速器における集束」、カリフォルニア大学放射線研究所、ローレンス・バークレー国立研究所、米国エネルギー省（前身機関である原子力委員会を通じて）、（1950 年 8 月 24 日）。
• McMillan, EM「シンクロトロンおよびベータトロン用の厚いターゲット」、カリフォルニア大学放射線研究所、ローレンス・バークレー国立研究所、米国エネルギー省（前身機関である原子力委員会を通じて）、（1950 年 9 月 19 日）。
• マクミラン、EM「超ウラン元素：初期の歴史（ノーベル講演）」、カリフォルニア大学放射線研究所、ローレンス・バークレー国立研究所、米国エネルギー省（前身機関である原子力委員会を通じて）、（1951年12月12日）。
• McMillan, EM「四重極集束に関する注記」、カリフォルニア大学放射線研究所、ローレンス・バークレー国立研究所、米国エネルギー省（前身機関である原子力委員会を通じて）、（1956 年 2 月 9 日）。
• McMillan, EM「非線形周期集束システムの安定性に関する考察」、カリフォルニア大学放射線研究所、ローレンス・バークレー国立研究所、米国エネルギー省（前身機関である原子力委員会を通じて）、（1967 年 9 月 5 日）。

• ホッデソン、リリアン、ヘンリクセン、ポール・W、ミード、ロジャー・A、ウェストフォール、キャサリン・L (1993)。『クリティカル・アセンブリー：オッペンハイマー時代、1943-1945年のロスアラモスの技術史』ニューヨーク：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-44132-3. OCLC  26764320.
• ジャクソン、デイビッド J. ; パノフスキー、WKH (1996)。「伝記回顧録: エドウィン・マティソン・マクミラン (1907 年 9 月 18 日 – 1991 年 9 月 7 日)」( PDF)。伝記回顧録。69 。国立科学アカデミー出版局: 215–241。2015年7 月 16 日閲覧。
• ロフグレン、エドワード J. ;アベルソン、フィリップ H. ;ヘルモルツ、 A . カール(1992 年 2 月)。「訃報: エドウィン M. マクミラン」。Physics Today。45 ( 2): 118–119。Bibcode : 1992PhT ....45b.118L。doi : 10.1063 /1.2809550。
• ローズ、リチャード（1986年）。『原子爆弾の誕生』ロンドン：サイモン＆シュスター。ISBN 0-671-44133-7。
• シーボーグ、グレン(1993)。「伝記回想録: エドウィン・マティソン・マクミラン (1907 年 9 月 18 日 - 1991 年 9 月 7 日)」。アメリカ哲学協会紀要。137 (2): 286–291。JSTOR 986736  。

• ロスアラモス国立研究所のエドウィン・マクミランによる音声講義 マンハッタン計画の声
• ロスアラモス国立研究所のエルシー・マクミランによる音声講義 マンハッタン計画の声
• マクミランのノーベル講演: 超ウラン元素: 初期の歴史
• Nobelprize.org の Edwin M. McMillan1951年12月12日のノーベル賞受賞講演を含む超ウラン元素：初期の歴史