Σαν σήμερα... 1967, πέθανε ο πυρηνικός φυσικός Robert Van de Graaff.

Robert Jemison Van de Graaff

Σαν σήμερα, στις 16 Ιανουαρίου 1967, πέθανε στη Βοστώνη της Μασαχουσέτης ο Robert Jemison Van de Graaff (Ρόμπερτ Τζέιμσον Βαν ντε Γκράαφ) που υπήρξε πρωτοπόρος στο πεδίο της πυρηνικής φυσικής, καθώς ανακάλυψε μερικά από τα πρώτα τμήματα των επιταχυντών. Ακόμη, ο Van de Graaff έχει μείνει περισσότερο γνωστός από την περίφημη ηλεκτροστατική γεννήτρια που φέρει το όνομά του (μηχανή ή γεννήτρια Van de Graaff) και για την οποία κάθε φυσικός στην Ελληνική δευτεροβάθμια εκπαίδευση θεωρούσε τον εαυτό του(της) τυχερό, αν την είχε στο σχολείο του. 

Ο Van de Graaff γεννήθηκε στις 20 Δεκεμβρίου 1901, στην Tuscaloosa της Αλαμπάμα. Οι γονείς του, Adrian Sebastian Van de Graaff και Minnie Cherokee Hargrove είχαν Ολλανδική καταγωγή και ήταν ο μικρότερος από τα τέσσερα αγόρια της οικογένειας. 

Ο Robert (πίσω, 2ος από αρισ.) με την ομάδα ράγκμπι
"Scrubs"  του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα. 
(Φθινόπωρο 1920)

Το 1922 ο Van de Graaff πήρε μπάτσελορ και το 1923 μάστερ από το Πανεπιστήμιο της Alabama, ως μηχανολόγος μηχανικός. Μετά την αποφοίτησή του δούλεψε για ένα χρόνο ως βοηθός μηχανικός  έρευνας στην Alabama Power Co.
Το 1924 ταξίδεψε στην Ευρώπη για να σπουδάσει ατομική φυσική στο Πανεπιστήμιο της Σορβόνης. Στο Παρίσι παρέμεινε μέχρι το 1925 κι εκεί παρακολούθησε διαλέξεις της Marie Curie για την ακτινοβολία. 
Το 1925 πήγε στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης με την αμερικάνικη υποτροφία Rhodes, απ' όπου πήρε μπάτσελορ στη φυσική το 1926. Το 1928 ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στην Οξφόρδη με επιβλέποντα τον Sir John Townsend. 

Ο Robert Van de Graaff σε νεαρή ηλικία.

Την περίοδο που ήταν στην Οξφόρδη ήρθε σ' επαφή με το έργο του Ernest Rutherford στην πυρηνική φυσική και κατέληξε στο συμπέρασμα πως για να προωθηθεί η έρευνα της σωματιδιακής φυσικής  έπρεπε να επιτευχθούν μεγάλη επιτάχυνση των σωματιδίων και υψηλές διαφορές δυναμικού. Από αυτές τις σκέψεις ο Robert Van de Graaff είδε την ανάγκη για έναν επιταχυντή σωματιδίων.

Το 1929 επιστρέφοντας στις ΗΠΑ με το σχέδιο ενός σωματιδιακού επιταχυντή στο μυαλό του, συνεργάστηκε με το Εργαστήριο Φυσικής Palmer στο Πανεπιστήμιο του Princeton.
Εκεί κατασκεύασε το πρώτο μοντέλο ενός "ηλεκτροστατικού επιταχυντή" που μπορούσε να επιτύχει διαφορά δυναμικού (τάση) 80.000V. Γι' αυτό το απλοϊκό πρωτότυπο είχε χρησιμοποιήσει μια φτηνή μεταξωτή κορδέλα ως ιμάντα μεταφοράς φορτίου, που εκινείτο ανάμεσα σε δύο μεταλλικά ρουλεμάν. 

Το Νοέμβριο του 1931, αφού βελτίωσε τη μηχανή του κάνοντάς την ικανή να παράγει διαφορά δυναμικού ενός εκατομμυρίου βολτ (1MV), την παρουσίασε στο εναρκτήριο δείπνο του Αμερικάνικου Ινστιτούτου Φυσικής (AIP). Την ίδια χρονιά παρουσίασε μια εργασία του για τον ηλεκτροστατικό επιταχυντή στην Αμερικάνικη Ένωση Φυσικής (APS).

Ο Van de Graaff επιδεικνύει τη μηχανή του στο ξενοδοχείο Statler
σε συνάντηση αποφοίτων του ΜΙΤ στη δεκαετία του '30 (MIT).

Το 1932, λίγο μετά την πρώτη επίδειξη του μοντέλου του Van de Graaff, οι John D. Cockcroft  και Ernest Walton εργαζόμενοι στο περίφημο Cavendish Laboratory του Cambridge, έφτιαξαν το δικό τους σωματιδιακό επιταχυντή χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά κυκλώματα πολλαπλασιασμού της τάσης για παραγωγή ενέργειας. Αυτή η συσκευή ήταν ογκώδης, αλλά το κυριότερο, δεν έδινε μεγάλα περιθώρια δημιουργίας υψηλής τάσης.

O Robert Van de Graaff με τον Karl T. Compton
στην ιστορική επίδειξη του 1931.

Όταν ο Karl T. Compton έγινε πρόεδρος του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης  (MIT), προσφέρθηκε στον Van de Graaff θέση στο MIT. Από το 1932 έως το 1934  εργάστηκε ως βοηθός ερευνητής και από το 1934 έγινε επίκουρος καθηγητής στο ΜΙΤ. 

Ο Van de Graaff δημιούργησε την πρώτη του μεγάλη μηχανή σε υπόστεγο αεροσκάφους στο South Dartmouth της Μασαχουσέτης. Το μηχάνημα χρησιμοποιούσε δύο σφαίρες στιλβωμένου αλουμινίου με 15 πόδια (4,57m) διάμετρο η κάθε μία. Οι σφαίρες ήταν τοποθετημένες σε μονωτικές στήλες ύψους 25 ποδών (7,62m) και διαμέτρου 6 ποδών (1,83m). Στη συνέχεια οι στήλες είχαν τοποθετηθεί σε σιδηροδρομικά φορτηγά με αποτέλεσμα οι σφαίρες να φτάσουν σε ύψος 43 πόδια (13,1m) πάνω από το επίπεδο του εδάφους. 

Η μεγάλη γεννήτρια Van der Graaff του 1933.

Το μηχάνημα λειτούργησε για πρώτη φορά στις 28 Νοεμβρίου 1933 και ήταν σε θέση να παράγει 7.000.000 βολτ (7MV). Την επόμενη μέρα, οι New York Times αναφερόμενοι στο γεγονός, κυκλοφόρησαν με τίτλο "Man Hurls Bolt of 7,000,000 Volts" (σε ελεύθερη μετάφραση "Άνθρωπος κτυπά με κεραυνό 7.000.000 βόλτ").

Σε αντίθεση με τη μηχανή Cockcroft-Walton, η μηχανή Van de Graaff ήταν απλή και συμπαγής και ήταν ευκολότερη στη ρύθμιση και ικανή να παράγει υψηλότερες τάσεις και επομένως υψηλότερες επιταχύνσεις.

Μηχανή Van der Graaff σχολικού εργαστηρίου.

Στις 12 Φεβρουαρίου 1935 ο Van de Graaff, με την καθοδήγηση του Karl T. Compton και του αντιπροέδρου του MIT Vannevar Bush, κατοχύρωσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη γεννήτριά του. Όμως εκείνη την εποχή κανείς δεν ενδιαφέρθηκε σοβαρά γι' αυτή την ανακάλυψη, πλην του Nikola Tesla που έγραψε το 1934 σε σχετικό άρθρο στην επιθεώρηση Scientific American: "Πιστεύω ότι όταν αναπτυχθούν νέοι τύποι (γεννητριών Van de Graaff) και βελτιωθούν ικανοποιητικά, θα τους εξασφαλιστεί ένα λαμπρό μέλλον."

Το 1936 ο Van de Graaff παντρεύτηκε την Catherine Boyden. Το ζευγάρι απέκτησε δύο γιους, τον John και τον William.

Οι 3 δημιουργοί της HVEC (από αρισ.) Robert Van de Graaff,
Denis Robinson και John Trump μπροστά στον 
επιταχυντή tandem της εταιρείας τους. 

Πρώτη η Ιατρική Σχολή του Harvard το 1937 χρησιμοποίησε την μηχανή για την παραγωγή ακτίνων Χ. Την ίδια χρονιά, στην Παγκόσμια Έκθεση στο Παρίσι στο Palais de la Decouverte, εγκαταστάθηκε για επίδειξη μια τεράστια γεννήτρια Van de Graaff υπό τη διεύθυνση του Frederic Joliot.

Κατά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, ο Van de Graaff ήταν διευθυντής του "Ραδιογραφικού Σχεδίου Υψηλών Τάσεων" ("High Voltage Radiographic Project"). Δουλεύοντας με τον William W. Buechner  κατάφεραν να προσαρμόσουν την ηλεκτροστατική γεννήτρια σε ακτινογραφικά μηχανήματα ακριβείας που χρησιμοποιήθηκαν από το πολεμικό ναυτικό των Η.Π.Α. 

19 Απριλίου 1966, τιμητική αναγόρευση σε διδάκτορα
από το Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης.
(Από αρ.) Robert Van de Graaff,
Willem Barnard , Paul Zamecnik, Alfred Sauvy.

Μετά τον πόλεμο, το 1945, ο Van de Graaff πήρε επιχορήγηση από το Ίδρυμα Rockefeller για την ανάπτυξη ενός βελτιωμένου επιταχυντή στο MIT.
Στις 19 Δεκεμβρίου 1946, ο Van de Graaff και ο John G. Trump (θείος του Αμερικανού προέδρου  Donald Trump) δημιούργησαν την High Voltage Engineering Corporation (HVEC) στο Burlington της Μασαχουσέτης με σκοπό την εμπορική παραγωγή επιταχυντών σωματιδίων.
Ο Denis M. Robinson, καθηγητής ηλεκτρολόγος μηχανικός από την Αγγλία, έγινε πρόεδρος της νέας εταιρείας. Ο John G. Trump έγινε τεχνικός διευθυντής και ο Van de Graaff έγινε επικεφαλής φυσικός και μέλος του διοικητικού συμβουλίου. Η HVEC έγινε ο κορυφαίος προμηθευτής ηλεκτροστατικών γεννητριών που χρησιμοποιήθηκαν στη θεραπεία του καρκίνου, στη βιομηχανική ακτινογραφία και στη μελέτη της πυρηνικής δομής. 
Το 1947 ο Van de Graaff έλαβε το μετάλλιο Duddel από την Ένωση Φυσικής της Μεγάλης Βρετανίας.

Σχηματική απεικόνιση της μηχανής Van der Graaff. 

Στα τέλη της δεκαετίας του '50 ο Van de Graaff εφηύρε τον μετασχηματιστή μονωτικού πυρήνα (insulating core transformer). Ο μετασχηματιστής μονωτικού πυρήνα παρήγαγε συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης χρησιμοποιώντας μαγνητική ροή αντί ηλεκτροστατική φόρτιση. Ο Van de Graaff επινόησε επίσης πολλές μεθόδους ελέγχου των δεσμών σωματιδίων κατά τη διάρκεια και μετά την επιτάχυνσή τους, ώστε να μπορούν να προσαρμόζονται στις επιμέρους ερευνητικές απαιτήσεις. Χρησιμοποιώντας τους επιταχυντές Van de Graaff, οι φυσικοί συσσώρευσαν τεράστιες ποσότητες πληροφοριών για πυρηνικές διασπάσεις και αντιδράσεις. Αυτά τα δεδομένα οδήγησαν σε εξελιγμένες θεωρίες της πυρηνικής δομής.

Αποτέλεσμα από την επαφή με τη μηχανή Van der Graaff.

Ο Van de Graaff παρέμεινε αναπληρωτής καθηγητής Φυσικής στο MIT μέχρι το 1960 όταν παραιτήθηκε για να αφιερωθεί στις αυξανόμενες απαιτήσεις της εταιρείας HVEC. 

Το 1965, η Αμερικανική Ένωση Φυσικής τον τίμησε με το βραβείο T. Bonner για την ανάπτυξη του ηλεκτροστατικού επιταχυντή "μια συσκευή που έχει ανυπολόγιστα προάγει την πυρηνική φυσική". Το βραβείο πήρε το όνομά του από τον Tom W. Bonner που είχε χρησιμοποιήσει τον επιταχυντή σωματιδίων Van de Graaff για να επιτύχει τα αποτελέσματα της θεμελιώδους έρευνας του.

Το εξώφυλλο του Αμερικάνικου περιοδικού "The Physics Teacher"
(τ.42, Νοέμβριος 2004) αφιερωμένο στα 75 χρόνια από την πρώτη 
ανακάλυψη της μηχανής Van de Graaff. Το πορτραίτο του Robert 
Van de Graaff  έχει ζωγραφιστεί από τον Viktor Korotayer.

Ο Van de Graaff πέθανε στη Βοστώνη της Μασαχουσέτης το πρωί της 16ης Ιανουαρίου 1967, σε ηλικία 66 ετών, έχοντας κατοχυρώσει συνολικά επτά πατέντες για τις ηλεκτρικές του εφευρέσεις.
Την εποχή που πέθανε ο Van de Graaff, ήδη λειτουργούσαν 500 μεγάλοι σωματιδιακοί επιταχυντές Van de Graaff, σε 30 χώρες στον κόσμο.
Ένας κρατήρας στην αθέατη πλευρά της Σελήνης έχει πάρει τ' όνομά του.

Ο κρατήρας Van der Graaff στη Σελήνη, όπως 
 φωτογραφήθηκε από το πλήρωμα του Apollo 17. 

• Βίντεο για το πώς λειτουργεί μια μηχανή Van de Graaff, από το National MagLab (αγγλικά, 4:13).

• Βίντεο με την μεγαλύτερη γεννήτρια Van de Graaff σε λειτουργία, Μουσείο Επιστήμης στη Βοστώνη (αγγλικά, 1:57).

• Βίντεο με πειράματα επίδειξης χρησιμοποιώντας μηχανή Van de Graaff από τον ιστότοπο  Beauty of Science (αγγλικά, 1:24).

• Φωτογραφίες του Robert Van de Graaff από το αρχείο Emilio Segrè του AIP.

• Η ιστορία της γεννήτριας Van de Graaff.

• Βίντεο που δείχνει ωραία πειράματα με μια μικρού μεγέθους μηχανή Van de Graaff (αγγλικά, 8:09), από τον ιστότοπο Plasma Channel.

• Η ιστορία της οικογένειας του Robert Jemison Van de Graaff.

Πηγές: Today in Science History,  APS,  BNL, Wikipedia