marzo 4, 2024
Biografias

Edwin McMillan

Tiempo de lectura estimado: 15 minutos

Edwin Mattison McMillan (18 de septiembre de 1907 – 7 de septiembre de 1991) fue un físico estadounidense acreditado por ser el primero en producir un elemento transuránico, el neptunio. Por esto, compartió el Premio Nobel de Química de 1951 con Glenn Seaborg.

Graduado del Instituto de Tecnología 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 primero en el radar de microondas en el Laboratorio de Radiación del MIT, y en el sonar en el Laboratorio de Radio y Sonido de la Marina.


Edwin McMillan. Físico estadounidense
Edwin McMillan. Físico estadounidense

En 1942 se unió al Proyecto Manhattan, el esfuerzo de guerra para crear bombas atómicas, y ayudó a establecer el Laboratorio de Los Alamos del proyecto donde se diseñaron las bombas. Dirigió equipos que trabajaron en el diseño de armas nucleares de tipo pistola y también participó en el desarrollo de la exitosa arma de tipo implosión.

McMillan co-inventó el sincrotrón con Vladimir Veksler, y después de la guerra regresó al Laboratorio de Radiación de Berkeley para construirlos. 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 mismo año y se mantuvo en ese cargo hasta su jubilación en 1973.

Vida temprana y educación

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. 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, la Escuela Grant de 1918 a 1920 y luego la Escuela Secundaria de Pasadena, de la que se graduó en 1924.

El Instituto de Tecnología de California (Caltech) estaba a solo una milla de su casa, y asistió a algunas conferencias públicas allí. Ingresó a Caltech en 1924, donde hizo un proyecto de investigación con Linus Pauling como estudiante universitario y recibió su licenciatura en ciencias en 1928 y su maestría en ciencias en 1929, escribiendo una tesis no publicada sobre «Un método mejorado para la determinación del contenido de radio de las rocas».

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 HCI en un campo eléctrico no homogéneo» bajo la supervisión de Edward Condon.

Laboratorio de Lawrence Berkeley

En 1932, McMillan fue galardonado con una beca del Consejo Nacional de Investigación, lo que le permitió asistir a una universidad de su elección para estudios de posgrado. Con su doctorado completo, aunque no fue aceptado formalmente hasta el 12 de enero de 1933, 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. El trabajo inicial de McMillan allí consistió en intentar medir el momento magnético del protón, pero Otto Stern e Immanuel Estermann pudieron llevar a cabo estas mediciones primero.

Desarrollo del ciclotrón

El enfoque principal del Laboratorio de Radiación en ese momento era el desarrollo del ciclotrón, y McMillan, quien fue designado como instructor en Berkeley en 1935, pronto se involucró en el esfuerzo. Su habilidad con la instrumentación salió a la luz, y contribuyó mejoras al ciclotrón. En particular, ayudó a desarrollar el proceso de «shimming», ajustando el ciclotrón para producir un campo magnético homogéneo.

Trabajando con M. Stanley Livingston, descubrió el oxígeno-15, un isótopo de oxígeno que emite positrones.Para producirlo, bombardearon gas nitrógeno con deuterones. Esto se mezcló con hidrógeno y oxígeno para producir agua, que luego se recolectó con cloruro de calcio higroscópico. Se encontró radiactividad concentrada en ella, lo que demostró que estaba en el oxígeno. Esto fue seguido por una investigación sobre la absorción de rayos gamma producidos al bombardear fluoruro con protones.

En 1935, McMillan, Lawrence y Robert Thornton llevaron a cabo experimentos con haces de deuterones en el ciclotrón que produjeron una serie de resultados inesperados. Los deuterones se fusionaron con núcleos objetivo, transmutando el objetivo en un isótopo más pesado mientras eyectaban un protón.

Sus experimentos indicaron una interacción nuclear a energías más bajas de lo que se esperaría de un cálculo simple 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. McMillan se convirtió en profesor asistente en 1936 y en profesor asociado en 1941.

Con Samuel Ruben, también descubrió el isótopo berilio-10 en 1940. Esto fue interesante pero difícil de aislar debido a su vida media extraordinariamente larga, de alrededor de 1.39 millones de años.

Descubrimiento del neptunio

Después del 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 a través del 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 otro con una de alrededor de 23 minutos. McMillan identificó el isótopo de corta duración como uranio-239, que había sido reportado por Hahn y Strassmann. McMillan sospechaba que el otro era un isótopo de un nuevo elemento no descubierto, con un número atómico de 93.

Edwin McMillan con uno de los "Dees" para el ciclotrón de 60 pulgadas en Berkeley, 1940 (nara.getarchive.net)
Edwin McMillan con uno de los «Dees» para el ciclotrón de 60 pulgadas en Berkeley, 1940 (nara.getarchive.net)

Elementos transuránicos

McMillan comenzó a trabajar con Emilio Segrè, experto en rutenio debido a su descubrimiento de su homólogo tecnecio. Sin embargo, tras realizar diversas pruebas, Segrè determinó rápidamente que la muestra de McMillan no era en absoluto similar al rutenio. En cambio, cuando lo reaccionó con fluoruro de hidrógeno (HF) con un agente oxidante fuerte presente, se comportó como miembros de los elementos de tierras raras. Dado que estos comprenden un gran porcentaje de los productos de fisión, Segrè y McMillan decidieron que la vida media debía haber sido simplemente otro producto de fisión, titulando el artículo «Una búsqueda fallida de elementos transuránicos».

McMillan se dio cuenta de que su trabajo de 1939 con Segrè no había probado las reacciones químicas de la fuente radioactiva con 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 resultó en 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, quien también había intentado separar el isótopo con una vida media de 2,3 días de manera independiente, visitó Berkeley para unas cortas vacaciones y comenzaron a colaborar. Abelson observó que el isótopo con una vida media de 2,3 días no tenía una química similar a ningún elemento conocido, pero era más similar al uranio que a una tierra rara.

En busca del Elemento 93

Esto permitió que la fuente fuera aislada y, posteriormente, en 1945, llevó a la clasificación de la serie de actínidos. Como paso final, McMillan y Abelson prepararon una muestra mucho más grande de uranio bombardeado que tenía una vida media prominente de 23 minutos a partir de 239U y demostraron de manera concluyente que la vida media desconocida de 2,3 días aumentó en fuerza en conjunto con una disminución en la actividad de 23 minutos a través de la siguiente reacción:

En 1940, McMillan y Abelson descubrieron un nuevo elemento químico, que llamaron «elemento 93». Habían identificado un material radioactivo en un experimento en el que bombardearon uranio con neutrones. Este material parecía ser diferente de todos los elementos conocidos en ese momento. Usando técnicas de química y física, McMillan y Abelson pudieron separar el material del uranio y demostraron que tenía propiedades químicas distintas de cualquier otro elemento conocido.

Esto demostró que la fuente radioactiva desconocida se originó a partir de la descomposición del uranio y, junto con la observación anterior 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 radioactivo 93» en Physical Review el 27 de mayo de 1940. No propusieron un nombre para el elemento en el artículo, pero pronto decidieron llamarlo «neptunio», ya que el uranio había sido nombrado después del planeta Urano, y Neptuno es el siguiente planeta en nuestro sistema solar.

McMillan dejó repentinamente este proyecto para trabajaren temas relacionados con la guerra, dejando a Glenn Seaborg a cargo de continuar la investigación. Seaborg descubrió 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».

El descubrimiento del neptunio y del plutonio fue un hito importante en la historia de la química y la física nuclear, y sentó las bases para el posterior descubrimiento de otros elementos transuránicos. La investigación de McMillan y sus colegas en Berkeley también tuvo un impacto significativo en el desarrollo de la bomba atómica y la investigación nuclear en general.

Segunda guerra mundial

Durante la Segunda Guerra Mundial, McMillan se involucró en el desarrollo de tecnologías militares, incluyendo el radar y la sonar. En noviembre de 1940, comenzó a trabajar en el Laboratorio de Radiación del MIT en Cambridge, Massachusetts, donde participó en el desarrollo y pruebas de radar de microondas para aviones durante la Segunda Guerra Mundial.

En abril de 1941, realizó pruebas con el radar operando desde un antiguo bombardero Douglas B-18 Bolo. Volando sobre la base submarina naval 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. En junio de 1941, McMillan se casó con Elsie Walford Blumer en New Haven, Connecticut, y la pareja tuvo tres hijos.

Laboratorio de Radio y Sonido y proyecto Manhattan

En agosto de 1941, McMillan se unió al Laboratorio de Radio y Sonido de la Marina cerca de San Diego, donde trabajó en un dispositivo llamado «polyscope». La idea, que provenía de Ernest Lawrence, era usar sonar para construir una imagen visual del agua circundante.

Esto resultó ser mucho más difícil que hacerlo con radar, debido a los objetos en el aguay las variaciones en la temperatura del agua que causaban variaciones en la velocidad del sonido. El polyscope resultó ser impráctico y fue abandonado, pero McMillan también desarrolló un dispositivo de entrenamiento de sonar para submarinistas, por el cual recibió una patente.

En septiembre de 1942, Oppenheimer reclutó a McMillan para unirse al Proyecto Manhattan, el esfuerzo de guerra para crear bombas atómicas. Inicialmente, McMillan viajaba de ida y vuelta entre San Diego, donde estaba su familia, y Berkeley.

En noviembre, acompañó a Oppenheimer en un viaje a Nuevo México, en el que se seleccionó la Escuela de Rancho Los Alamos como sitio del laboratorio de investigación de armas del proyecto, que se convirtió en el Laboratorio de Los Alamos. Con Oppenheimer y John H. Manley, estableció las especificaciones para los edificios técnicos del nuevo laboratorio, reclutó personal y estableció el área de prueba conocida como Anchor Ranch.

Thin man

A medida que el laboratorio tomaba forma, McMillan se convirtió en subdirector del esfuerzo de armas nucleares de tipo pistola bajo el capitán de la Marina William S. Parsons, un experto en municiones. La pistola de plutonio, codificada como Thin Man, necesitaba una velocidad de boca de al menos 3.000 pies (910 m) por segundo, que esperaban lograr con una modificación del cañón antiaéreo naval de 3 pulgadas. La alternativa era construir una bomba nuclear de tipo implosión.

McMillan se interesó tempranamente en esto, observando las pruebas de este concepto realizadas por Seth Neddermeyer. Los resultados no fueron alentadores, ya que las explosiones simples resultaron en formas distorsionadas. John von Neumann examinó 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 traer a George Kistiakowsky. Kistiakowsky se unió al laboratorio en febrero de 1944 y la División E (Explosivos) de Parsons se dividió en dos, con McMillan como subdirector para la pistola y Kistiakowsky como subdirector para la implosión.

Cambio de diseño

En abril de 1944, McMillan recibió noticias preocupantes y condujo hasta el cañón de Pajarito para hablar con Segrè. El grupo de Segrè había probado muestras de plutonio sintetizado en los reactores nucleares del Proyecto Manhattan y descubrieron que contenían cantidades de plutonio-240, un isótopo que causaba fisión espontánea, lo que hacía que Thin Man fuera impráctico.

En julio de 1944, Oppenheimer reorganizó el laboratorio para hacer un esfuerzo total en la implosión. McMillan se mantuvo a cargo del arma de tipo pistola, que ahora se usaría solo con uranio-235. Debido a esto, Thin Man fue reemplazado por un nuevo diseño más pequeño llamado Little Boy. McMillan también estuvo involucrado con la implosión como jefe del Grupo G-3 dentro de la División G (Gadget), que era responsable de obtener medidas y tiempos en la implosión, y se desempeñó como enlace del laboratorio con el Proyecto Camel, el programa de prueba aérea llevado a cabo por Caltech. El 16 de julio de 1945, estuvo presente en la prueba nuclear Trinity, cuando la primera bomba de implosión se detonó con éxito.

Últimos años

En junio de 1945, los pensamientos de McMillan comenzaron a volver a los ciclotrones. Con el tiempo, habían ido creciendo cada vez más. Se estaba construyendo un ciclotrón de 184 pulgadas en el Laboratorio de Radiación, pero se dio cuenta de que se podría hacer un uso más eficiente de la energía utilizada para acelerar partículas.

Sello postal en Honor a McMillan
Sello postal en Honor a McMillan

Al variar el campo magnético utilizado, se podía hacer que las partículas se movieran en órbitas estables y se lograran mayores energías con la misma entrada de energía. Lo llamó el «principio de estabilidad de fase» y al nuevo diseño un «sincrotón».

Sincroton

Desconocido para McMillan, el principio del sincrotón ya había sido inventado por Vladimir Veksler, quien había publicado su propuesta en 1944. McMillan se enteró del artículo de Veksler en octubre de 1945. Los dos comenzaron a corresponderse y eventualmente se hicieron amigos. En 1963, compartieron el Premio de la Paz Atómica por la invención del sincrotón. En 1964, McMillan recibió el Premio Golden Plate de la Academia Estadounidense de Logros.

El principio de estabilidad de fase se probó con el viejo ciclotrón de 37 pulgadas en Berkeley después de que McMillan regresara al Laboratorio de Radiación en septiembre de 1945. Cuando se comprobó que funcionaba, se modificó de manera similar el ciclotrón de 184 pulgadas. McMillan se convirtió en profesor titular en 1946.

En 1954, fue nombrado director asociado del Laboratorio de Radiación. Fue ascendido a subdirector en 1958. Tras la muerte de Lawrence ese año, se convirtió en director y permaneció en ese cargo hasta su jubilación en 1973. El laboratorio fue renombrado como Lawrence Radiation Laboratory en 1958. En 1970, se dividió en el Lawrence Berkeley Laboratory y el Lawrence Livermore Laboratory, y McMillan se convirtió en director del primero.

Últimas posiciones y fallecimiento

McMillan fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 1947, y sirvió como su presidente de 1968 a 1971. Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense en 1952. Sirvió en el influyente Comité Asesor General (GAC) de la Comisión de Energía Atómica de 1954 a 1958, y en la Comisión de Física de Alta Energía de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada de 1960 a 1967.

Fue elegido miembro de la Academia de Artes y Ciencias de Estados Unidos en 1962. Después de su jubilación de la facultad de Berkeley en 1974, pasó 1974-75 en el CERN, donde trabajó en el experimento g menos 2 para medir el momento magnético del muón. Recibió la Medalla Nacional de Ciencias en 1990.

McMillan sufrió el primero de una serie de ataques cerebrovasculares en 1984. Murió en su casa en El Cerrito, California, el 7 de septiembre de 1991, por complicaciones de la diabetes. Le sobrevivieron su esposa y tres hijos. Su medalla de oro del Premio Nobel se encuentra en el Museo Nacional de Historia Estadounidense, una división del Smithsonian, en Washington DC.

Para más información Edwin M. McMillan

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