发射轰击粒子的,美国物理学家托马斯

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摘要:劳伦斯和他的回旋加速器 1939年的诺贝尔奖评出后因为二战没有举行颁奖仪式,就连获奖者的演讲也没有在瑞典举行。1940年2月29日,美国物理学家劳伦斯(ErnestOrlandoLawrence)在美国发表

劳伦斯和他的回旋加速器

 

1939年的诺贝尔奖评出后因为二战没有举行颁奖仪式,就连获奖者的演讲也没有在瑞典举行。1940年2月29日,美国物理学家劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence)在美国发表了他的获奖演说并且领取了诺贝尔奖。他因为发明了回旋加速器而获得了1939年的诺贝尔物理学奖。

查德威克主要从事原子核物理学的实验研究。中学时代的查德威克并未显现出过人天赋。他沉默寡言,成绩平平,但坚持自己的信条:会做则必须做对,一丝不苟;不会做又没弄懂,绝不下笔。因此他有时不能按期完成物理作业。而正是他这种不骛虚荣、实事求是、“驽马十驾,功在不舍”的精神,使他在科学研究事业中受益一生。

1901年8月8日美国物理学家劳伦斯诞生

第三章:核世界奥秘的探索

1919年,卢瑟福宣称,粒子如具有更大的能量,就可能击破更多元素的核。于是人们致力于建造高压装置来加速粒子,向原子轰击以期进一步实现核转变。早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次,因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。1930年,劳伦斯提出了回旋加速器的力量,他们设想用磁场使用带电粒子沿圆弧形轨道旋转,粒子反复通过高频加速电场,达到高能量。1931年,劳伦斯领导建造了世界上第一台回旋加速器。这台加速器的磁极直径只有10CM,加速电压为2kV,可以加速氘粒子的能量达到80keV。

进入大学的查德威克,迅即由于基础知识的扎实而在物理研究方面崭露超群才华。他被著名科学家卢瑟福看中,毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室,在卢瑟福指导下从事放射性研究。两年后,由于他的“α射线穿过金属箔时发生偏离”的成功实验,获英国国家奖学金。

托马斯·劳伦斯,1901年8月8日生。美国物理学家。1927年在耶鲁大学任物理学助教,后在加利福尼亚大学任副教授,1930年升任教授。1929年始构思回旋加速器。他的学生利文斯顿设计并制造出能把氢离子加速到1.3万电子伏能量的装置。后他又着手建造第2台回旋加速器,它能将质子加速到120万电子伏,这足以引起核蜕变。为了继续这个计划,他在伯克利建立了辐射实验室,1936年任实验室主任。世界上第一个人造元素锝就是在劳伦斯的回旋加速器中产生的。在其他粒子加速器中也采用了劳伦斯的基本设计,粒子物理学领域的伟大进展,主要是靠这些加速器取得的。由于劳伦斯发明第一台高能粒子加速器--回旋加速器,1939年获诺贝尔物理学奖金。第二次世界大战期间,他参与曼哈顿计划,主管用电磁法分离制造原子弹用的铀-235的工作。1957年美国原子能委员会授予他费密奖金。他还发明彩色电视显像管并获得专利。加利福尼亚州伯克利和利弗莫尔的劳伦斯实验室,第103号元素铹,都是为纪念他而命名的。

 

回旋加速器为进行人工可控核反应提供了强有力的工具,大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。20世纪40年代以后,物理学家用劳伦斯创造的加速器发现了许多新型核反应,观察到几百种前所未闻的同位素。

正当他的科研事业初露曙光之际,第一次世界大战把他投入了平民俘虏营,直到战争结束,他才获得自由,重返科研岗位。

1958年8月27日逝世。

2、发射轰击粒子的“原子炮”

劳伦斯还倡导把加速器的粒子用于生物和医学研究及医疗方面,实施了第一个用快中子流治疗深部恶性肿瘤的实验,后来广泛利用加速器得到的同位素来治疗肿瘤等疾病。

1920年他通过铂、银和铜核研究α粒子的散射,直接测出了原子核的电荷,从而完全证实了卢瑟福的原子理论和关于元素的核结构以及核电荷数与元素的原子序数相等的结论。

点评:发明的回旋加速器对核裂变及核力的研究起着特别重要的作用。

 

1923年,他因原子核带电量的测量和研究取得出色成果,被提升为剑桥大学卡文迪许实验室副主任,与主任卢瑟福共同从事粒子研究。

    卢瑟福在首次人工核反应中,作为炮弹用的α轰击粒子是来自天然放射性元素镭的衰变产物。因它能量较小,故只能与氮、镁和铝等少数轻元素发生核反应。另外在实验中发现许多α粒子都毫无目标向四面八方乱射。这就好像劣等炮手操炮时不加瞄准,盲目发射炮弹,结果很少击中目标一样。例如,对氮核而言,需用30万个α粒子才有一个氮核被击中;同样,如用铝核作靶子,则需用12万5千个α粒子轰击才有一个铝核被击中发生核反应。由此可知,这种天然放射性所发射的α粒子命中率实在太低,而且从能量和强度方面看也太弱,因为放射α粒子的镭盐实在太少了,当时都是以毫克来计量的。所有这些弱点,都严重地影响核反应实验的进行。

xpj线路检测,中子的发现不仅改变了当时人们的物质结构的概念,同时还为研究和变革原子核提供了一种有力的手段,促进了核裂变研究工作的发展和原子能的利用。由于这一重要的发现,他获得了1935年诺贝尔奖物理学奖。

    但是,科学家们为了揭开原子核内部的秘密,往往像小孩子为了想知道有趣玩具内部的奥妙,经常把玩具拆开那样,总想把原子核打开来看个究竟。于是他们就设法把更多的粒子(如氢核和氦核等)用来作为轰击原子核的炮弹,并把它们装填在能产生极快速度,又能按照指定方向发射的“原子炮”中,以准确命中更多的原子核,产生各种各样的核反应。

战俘营里的实验室

    就在1928年,生于俄国的美国物理学家盖莫夫提出了用质子替代α粒子作为炮弹的设想。由于质子本身所带的电荷少,因此与核相互作用的静电斥力也小。这样即使能量比较小的质子(能量为50~60万电子伏),它也能克服库仑每秒一千万到十亿个,而每秒一个毫安的质子流可获得的质子数就比α粒子流要大一百万倍左右。

1914年第一次世界大战爆发,德、英两国成为敌对国,正在柏林的查德威克被德国当局当作英国“俘虏”拘押在鲁莱本的一个战俘集中营。据说查德威克在集中营里开始闷得发慌,找不到知音。

    另外,质子也比较容易取得,只要把普通的氢原子剥去一个电子后就成为质子。这样带正电荷的质子又能方便地被电场加速,使它的能量能大大地提高。为此,物理学家会同机械设计师一起开始设计制造这种能够加速粒子的机器,人们习惯上称它为“粒子加速器”或“原子炮”。

后来来了一位英国青年军官埃利斯,查德威克以极大的热情向埃利斯讲解原子物理。战后埃利斯成了一个原子物理学家。他这种科学精神深得德国同行们的同情和赞赏。在德国科学院的努力交涉下,查德威克在集中营里建立起一座实验室,坚持作放射性实验研究。

    就在1930年前后,英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿一起建造了第一台粒子加速器。它是利用高压电极上的高电势,对离子源所发射的质子流,在抽真空的加速管中被加速,最后打在靶子上,同靶原子核发生核反应。这实际上是一台倍压加速器,当时他们在五级加速电极之间加上80万伏高电势,获得了能量约为70万电子伏特的质子流,最后被打在锂7靶上。所产生的核反应仍用硫化锌制成的荧光屏进行观测。结果发现每10亿个质子中就有一个质子打中锂核产生反应,形成一个具有4个质子和4个中子的不稳定中间核。然后,分解成两个氦核。

老师无意学生有心

    从上式可看出,核反应的最终结果生成了两个α粒子。根据力学定律,它们应该带着相同的能量,向相反方向飞出,这可从威尔逊云室所摄取的照片上所观测到的向相反方向成对飞出的α粒子径迹得到验证。另外,根据它们在空气中的射程(为8.4厘米),求得其能量各为8.8兆电子伏。

1920年圣诞节,卢瑟福在向少年儿童作有关原子物理学科普报告的时候,曾经提出一个很有启发性的问题,既然原子中有带负电的电子,也有带正电的质子,为什么就不可以有一种不带电的中性粒子呢?问者无意,听者有心。当时在场的查德威克对中性粒子产生了兴趣,从1921年起,他就从实验和理论两方面着手寻找中子。他指导格拉逊和罗伯茨从氢气放电实验中寻找,结果没有成功。

    由此可见,核反应结果所得能量竟然是入射质子能量0.7兆电子伏的25倍。这就预示着人们将可从核反应过程中取得巨大的能量。

1932的法国物理学家约里奥·居里夫妇用钋源中的α粒子轰击铍靶,产生穿透本领强的射线,用这种射线照射石蜡,发现石蜡经撞击后发射出质子来。他们误认为这种射线是γ射线,γ射线有一种新的作用,可以把石蜡中的质子打出来。查德威克以特有的敏感性感到需要重新审查这一实验结果,他发现这种射线的速率只有光速的1/10,不可能是γ射线。

    而另外一种加速器是在1931年由美国物理学家范德格喇夫建造而成的。他突破了倍压加速器在高电压上的限制,首先应用动带式静电起电机获得了高达1.5百万伏电势差。后人为了纪念他,就把这种类型的粒子加速器称作为范德格喇大静电加速器。其主要部件高压电极的直径1~2米。而到了1933年已大到4.57米;1936年达10米。但最高电压都不超过3兆伏。1940年后又提高到5兆伏。后来在结构上又作了很大改进,在1955年发展成为串列式静电加速器,每一级为10兆伏,二级为20兆伏,三级则为30兆伏。质子流强为4微安。由于它具有加速能量高、束流品质好、能量稳定度高等优点。所以一直是原子核物理实验研究工作不可缺少的工具。

于是,他一方面用弹性碰撞的理论来分析,根据碰撞过程中的能量和动量守恒,确认这种中性射线是质量很大的中性粒子;中一方面用实验测得这种中性粒子的质量和氢核的质量几乎相等。就这样,查德威尔克终于在1932年发现了这种中性粒子,他采纳了美国化学家哈金斯的建议,把这种中性粒子叫做中子。

    与此同时,其它各种类型的“原子炮”也得到了飞速发展。其中最著名的是美国物理学家劳伦斯在1931年设计制造了第一台用来加速离子的回旋加速器,它的工作原理是被加速的带电粒子在两个扁平的“D”形盒中作圆周运动。D形盒内部是抽高真空的,被加速粒子的圆周运动是由磁场作用所造成的。只有当带电粒子通过交变电场时才能被不断加速获得能量。

与劳伦斯的友情

    劳伦斯的第一台回旋加速器的磁极直径只有10厘米,加速电压为2000伏,能把氢离子加速到8万电子伏。到了1932年,他把直径增大到27厘米,质子能量可加达到1.2兆电子伏;1993年,磁极直径已达1.5米,磁铁重220吨,能把质子核氘核分别加速到10和20兆电子伏。束流强度可达每秒6兆亿个氘核,所以说加速器的效能的确是十分巨大的。

查德威克于1932年发现了中子,中子的发现打开了原子核的大门,使原子核物理学有了划时代的进展,他因此荣获了1935年诺贝尔物理奖。美国物理学家劳伦斯由于发明了回旋加速器,为高能物理的研究提供了有力的实验工具,找到了打开粒子物理世界的一把钥匙,而荣获了1939年的诺贝尔物理奖。

    但是,回旋加速器却不能加速质量极小的电子。而世界上第一台用于加速电子的电子感应加速器是在1940年建成的,当时只能把电子加速到2.3兆电子伏。1942年建成20兆电子伏的电子感应加速器。到了1945年,电子能量又提高到100兆万电子伏。而目前世界上最大的一台电子感应加速器能把电子加速到315兆电子伏。

这两位不同国度的杰出物理学家在1933年索尔维会议上不期而遇,随后开始了热情的通信,进而成为亲密的朋友。1939年7月,由于劳伦斯的大力倡导,并派助手协助,查德威克在利物浦的回旋加速器终于产生了它的第一束加速粒子。

    除此以外,在加速器的类型中还有直线加速器。随着微波技术的发展,1947年已经开始建造行波电子直线加速器和驻波质子加速器,它们分别能把电子加速到22000兆电子伏;把质子加速到800兆电子伏。

在劳伦斯的助手瓦尔克的协助下,金赛承担了加速器的日常管理工作,金赛毕业于剑桥大学,他在卡文迪许实验室工作学习了一段时间以后,和劳伦斯一起工作了3年。

    近年来,世界上工业和科学技术发达的美冈和苏联,它们把加速器越作越大。其中高能环形加速器的直径达2公里;直线型加速器的长度超过2公里,被加速质子的能量高达5000亿电子伏。这就是英国在1969~1972年间建成的世界上最大的加速器。它的磁铁重达900O吨。电力消耗峰值为5万千瓦。而当今国际上还在倡议建造世界性的大加速器,直径将近20公里,加速能量十万亿电子伏。它比目前最大的加速能量大20倍,总投资达20亿美元。

1943年,查德威克率领一英国科学家来到美国的洛斯阿拉莫斯,参加原子弹的研制工作。查德威克与劳伦斯,通过他们的书信往来成为亲密的朋友,在初次见面十年以后,他们在曼哈顿工程中再次相会,重温旧好。为了科学的发展、世界的和平、人类文明的进步,他们开始并肩工作。

    总之,在建造原子炮的过程中,为了能获得高能量的“炮弹”,其耗资是十分惊人的。而且在加速“炮弹”过程中也要消耗巨大的能量。就被命中靶核的单发“炮弹”而言,它有可能通过核反应把更大的能量释放出来。即使这样,原子炮本身仍然存在着打不准、效率低的问题,千万发“炮弹”中只有一发能命中靶。当然,作为靶子的原子核本身其体积十分微小,确实不易被瞄准。加上靶核所带的正电荷对炮弹有静电排斥作用,即使把靶子做得很厚使靶核数大大增加也无济于事。这是因为被加速器加速的带电粒子所携带的能量,在靶子的表面层内很快被消耗殆尽,仅能深入1毫米后就停止不前了。所有这一切,使得科学家们希望能够找到命中率更高的炮弹。1932年中子的发现,实现了这个愿望。

人物百科

 

查德威克,J.(Sir James Chadwick 1891~1974) 英国实验物理学家。1891年10月20日生于曼彻斯特,1911年毕业于曼彻斯特大学,后又在柏林大学和剑桥大学深造。

查德威克对科学的最大贡献是他发现了中子。他发现的中子解决了理论物理学家在原子研究中遇到的难题,完成了原子物理研究上的一项突破性进展。查德威克因发现中子的杰出贡献,获得1935年诺贝尔物理学奖。他还曾获得法拉第奖章和富兰克林奖章。

德威克是一位伟大智者与物理学家,是现代物理学的先驱者。

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