Robert Van de Graaff

Robert Jemison Van de Graaff (Tuscaloosa, 20 dicembre 1901 – Boston, 19 gennaio 1967) è stato un fisico e inventore statunitense conosciuto principalmente per il generatore di Van de Graaff.

Cresciuto a Tuscaloosa (Alabama), Van de Graaff conseguì il dottorato di ricerca a Oxford come borsista Rhodes. In Europa, l'incontro con Marie Curie, Ernest Rutherford e J. Robert Oppenheimer lo incoraggiò a sviluppare metodi per accelerare le particelle fino a raggiungere energie nucleari. Costruì il suo primo generatore elettrostatico all'Università di Princeton nel 1929 e dimostrò un modello da 1,5 milioni di volt nel 1931, più del doppio della massima tensione in corrente continua mai raggiunta. Dopo essere entrato a far parte del Massachusetts Institute of Technology, costruì il generatore Round Hill da 5 megavolt. Collaborò con John George Trump, suo ex studente, alla creazione di macchine compatte e isolate a gas, che divennero i primi acceleratori utilizzati in medicina clinica. Durante la Seconda Guerra Mondiale, diresse lo sviluppo di apparecchiature a raggi X ad alta tensione per la Marina degli Stati Uniti.

Un infortunio subito giocando a football al liceo, aggravato dal superlavoro durante la guerra e da successivi incidenti, causò a Van de Graaff problemi di salute cronici nel corso della sua carriera. Ciononostante, nel 1946 si unì a Trump e Denis M. Robinson nella fondazione della High Voltage Engineering Corporation (HVEC), la prima azienda a produrre acceleratori di particelle. In qualità di responsabile scientifico, guidò lo sviluppo di acceleratori commerciali. Negli anni '50, inventò il trasformatore a nucleo isolante e fu determinante nella commercializzazione degli acceleratori tandem della HVEC. Nel 1967, più di 500 generatori Van de Graaff ad alta tensione erano in funzione in tutto il mondo e la HVEC aveva installato acceleratori in ospedali e laboratori di 30 paesi. Nel 1966 ricevette il premio Tom W. Bonner per il suo contributo allo sviluppo degli acceleratori elettrostatici.

Biografia

Primi anni di vita e istruzione

Robert Jemison Van de Graaff nacque il 20 dicembre 1901 nella Jemison–Van de Graaff Mansion a Tuscaloosa, in Alabama, ultimo di quattro figli di Adrian Sebastian Van de Graaff e Minnie Cherokee Jemison. La famiglia aveva profonde radici in Alabama: il suo bisnonno era Robert Jemison Jr., un proprietario terriero e schiavista, nonché ex senatore statale, e suo padre, giudice di circoscrizione, era stato una riserva nella prima squadra di football a 11 giocatori di Yale. Il padre di Jemison divenne professore di diritto all'Università dell'Alabama nel 1891.

I tre fratelli maggiori di Van de Graaff — Adrian, Hargrove e William — divennero celebri giocatori di football americano per gli Alabama Crimson Tide, e William divenne il primo giocatore All-American dell'Alabama nel 1915. Robert intendeva seguire le loro orme: al secondo anno di liceo alla Tuscaloosa High School, giocava come quarterback nella squadra allenata da suo fratello Adrian. Tuttavia, nell'autunno del 1917, durante il suo ultimo anno, subì un grave infortunio durante una partita, fratturandosi il femore e riportando una grave lesione alla schiena. Trascorse il resto dell'ultimo anno a riprendersi nella villa, leggendo libri sui motori per ingannare il tempo, e non si diplomò mai.

Nonostante gli infortuni, Van de Graaff si iscrisse all'Università dell'Alabama nell'autunno del 1918, rimanendo con le stampelle per gran parte del suo primo anno. Entrò a far parte degli "Scrubs" (la squadra di riserva), allenata dai suoi fratelli Adrian e Hargrove dopo il loro ritorno dalla Prima Guerra Mondiale, e giocò come ala sinistra nelle partite contro il Georgia Tech e il Mississippi A&M. Ma si rese conto che non avrebbe eguagliato i successi atletici dei suoi fratelli. Anni dopo, ricordò che una giovane donna gli chiese come andava il football, e lui rispose: "Non è il mio sport". Lei chiese: "Beh, Robert, qual è il tuo sport?". In seguito, raccontò questo episodio come un momento cruciale che lo indirizzò verso la scienza.

Nel febbraio del 1921, Van de Graaff, insieme ad altri undici studenti, presentò domanda per diventare membro fondatore della confraternita di ingegneria Theta Tau dell'Università dell'Alabama. Divenne uno studente modello e per la prima volta ottenne ottimi risultati accademici. Il suo soprannome, "Tee", che lo accompagnò per tutta la vita, derivava dalla sua abitudine di bere tè per rimanere sveglio mentre studiava tutta la notte prima degli esami. Durante l'estate, lavorava sui battelli a vapore che navigavano sul fiume Black Warrior, coltivando un interesse per i motori.

Van de Graaff conseguì la laurea (B.S., 1922) e il master (M.S., 1923) in Ingegneria Meccanica presso l'Università dell'Alabama. Per la sua tesi di master, sviluppò un sistema migliorato per l'estrazione di minerali di ferro di qualità inferiore, in cui il minerale veniva trasportato su un nastro trasportatore e i componenti più ferromagnetici venivano estratti mediante un campo magnetico intenso applicato a una punta metallica affilata: un concetto che anticipava alcuni aspetti delle sue successive invenzioni. Dopo la laurea, lavorò per un anno presso l'Alabama Power Company come assistente di ricerca, dove osservò che i generatori idroelettrici potevano funzionare con intervalli di isolamento nei circuiti magnetici molto più ampi di quanto avesse ritenuto possibile. Questa osservazione avrebbe poi influenzato la sua invenzione del trasformatore con nucleo isolante.

Gli studi in Europa

Grazie a una borsa di studio dello stato dell'Alabama, Van de Graaff si recò a Parigi nel 1924 per studiare alla Sorbona. Lì assistette alle lezioni di Marie Curie sulla radioattività e rimase affascinato dai clic delle singole particelle alfa rilevate da un contatore Geiger, un'esperienza che in seguito citò come fonte d'ispirazione per il suo lavoro. Alla Sorbona, Van de Graaff comprese che i nuclei atomici sono elettricamente carichi, pertanto le alte tensioni elettrostatiche potevano accelerare le particelle oltre la Barriera di Coulomb e farle entrare nel nucleo.

Nel 1925, Van de Graaff vinse una borsa di studio Rhodes per il Queen's College dell'Università di Oxford. A Oxford, Van de Graaff studiò con John Sealy Townsend e si sentì intimidito dall'erudizione dei suoi colleghi, che in genere parlavano fluentemente tre lingue. Nonostante l'infortunio alla gamba, continuò a praticare sport, giocando a lacrosse e ottenendo un riconoscimento ("blue") nel canottaggio. Conseguì una seconda laurea (B.S.). conseguì la laurea in fisica nel 1926 e il dottorato di ricerca nel 1928.

Durante il periodo trascorso a Oxford, Van de Graaff ebbe la sua prima opportunità di discutere approfonditamente di fisica degli acceleratori con un collega. Nel 1926, condivise una stanza per una settimana all'Università di Leida con J. Robert Oppenheimer, anch'egli allora studente di dottorato. I due parlarono fino a tarda notte: Oppenheimer degli aspetti teorici dello Scattering dei protoni, mentre Van de Graaff delle possibilità offerte dagli acceleratori elettrostatici.

In seguito, Van de Graaff lesse il discorso tenuto da Ernest Rutherford alla Royal Society nel 1927 in occasione dell'anniversario della sua scomparsa, in cui Rutherford esprimeva la sua ambizione di "avere a disposizione... un'abbondante fornitura di atomi ed elettroni... la cui energia superi quella delle particelle alfa e beta provenienti da sostanze radioattive". Secondo Van de Graaff, questo discorso rafforzò la sua convinzione che fosse necessario un approccio per generare alte tensioni al fine di progredire nella ricerca nucleare.