回旋加速器之父

張 軍

在漫長的科學(xué)發(fā)展史上，有一位美國天才：1901年出生，25歲獲博士學(xué)位，30歲受聘為加利福尼亞州立大學(xué)伯克利分校有史以來最年輕的正教授，37歲獲富蘭克林研究所授予的克利遜獎?wù)?、美國科學(xué)院授予的康斯托克獎、英國皇家學(xué)會休斯獎?wù)拢?9歲獲諾貝爾物理學(xué)獎……他就是勞倫斯。

少年天才

1901年8月3日，歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯在美國南達(dá)科他州的坎頓城出生。父親卡爾·勞倫斯畢業(yè)于威斯康星州立大學(xué)，曾先后出任縣、市、州公共學(xué)校的督學(xué)，1919年4月出任南達(dá)科他州立師范學(xué)院院長。母親岡達(dá)·雅各布森是一位中學(xué)數(shù)學(xué)老師、一位賢妻良母，深受孩子們的尊敬與愛戴。

良好的家庭條件為勞倫斯創(chuàng)造了不錯的學(xué)習(xí)氣氛，他從小就喜歡讀書，閱讀了不少科學(xué)書籍。9歲時，勞倫斯對電產(chǎn)生了濃厚的興趣，喜歡自己動手制作一些電報、電話裝置，還時常同他最要好的伙伴M·圖夫一起收集廢電池，給這些廢電池充電，用來開動馬達(dá)。有趣的是，這兩位志趣相投的小伙伴后來都成為著名的物理學(xué)家。

勞倫斯成績出眾，提前一年中學(xué)畢業(yè)。1918年秋，他進(jìn)入明尼蘇達(dá)州諾思菲爾德的圣奧拉夫?qū)W院學(xué)習(xí)，1年后轉(zhuǎn)到南達(dá)科他大學(xué)。剛到南達(dá)科他大學(xué)，他就以超乎尋常的充沛精力投入物理學(xué)的學(xué)習(xí)。一連6周，每天的大部分時間都用于緊張的學(xué)習(xí)，要不然就是在實驗室做實驗。6周過去了，整個二年級的物理課也就上完了。在秋季的新學(xué)期，除了選修數(shù)學(xué)、化學(xué)、動物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和法語外，他還選修了三年級的物理。在四年級，他的課表上又增加了地質(zhì)學(xué)、電工學(xué)、高級經(jīng)濟(jì)學(xué)、高級物理學(xué)等課程，同時還主動承擔(dān)了大學(xué)一年級的數(shù)學(xué)教學(xué)工作。

電氣工程學(xué)院院長阿克利教授對勞倫斯非常賞識，在他的鼓勵下，勞倫斯對物理學(xué)的興趣越來越濃厚。1922年秋，勞倫斯獲南達(dá)科他大學(xué)學(xué)士學(xué)位。阿克利教授建議勞倫斯去芝加哥大學(xué)攻讀研究生，勞倫斯也申請了芝加哥大學(xué)的獎學(xué)金。就在此時，他收到了幼時伙伴M·圖夫的來信，邀請他到明尼蘇達(dá)大學(xué)一起讀研究生。勞倫斯采納了M·圖夫的建議，駕著他那輛破舊的福特汽車，來到明尼蘇達(dá)大學(xué)。

在明尼蘇達(dá)大學(xué)，在導(dǎo)師斯旺教授的指導(dǎo)下，勞倫斯刻苦學(xué)習(xí)，很快打好了電動力學(xué)和磁學(xué)的堅實基礎(chǔ)。僅用了1年時間，便取得了碩士學(xué)位。

1923年秋，勞倫斯獲碩士學(xué)位后，隨同斯旺教授來到芝加哥大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)，一年后又隨斯旺到了耶魯大學(xué)。在這里，他作為實驗者的天賦才真正顯示出來。1925年，他很快完成博士論文《在鉀蒸氣中光電效應(yīng)的研究》，獲耶魯大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。這樣的成績是驚人的，但在他的朋友們看來，這不足為奇。1925年7月27日，學(xué)校舉行博士學(xué)位授予典禮的那個重大時日，勞倫斯還像平日一樣忙個不停，就在戴博士帽、穿博士服之前，他還要匆匆忙忙去一趟實驗室。

年輕的勞倫斯開始被科學(xué)界知曉。1925年，勞倫斯在耶魯大學(xué)任研究員，不久被提升為助理教授。在耶魯大學(xué)工作期間，他在光電效應(yīng)方面的研究取得了許多成果，為他在物理學(xué)界的輝煌奠定了堅實的基礎(chǔ)。1928年秋，勞倫斯受聘為加利福尼亞州立大學(xué)伯克利分校物理學(xué)副教授，兩年后升任教授，成為伯克利分校有史以來最年輕的正教授。正是在伯克利分校，勞倫斯發(fā)明了著名的回旋加速器，使這位年輕人聞名于世。

超常精力

勞倫斯的一生，為何能取得如此眾多的成就?答案是不一而足的，但是有一點可以肯定，那就是他的不知疲倦，精力超常。

勞倫斯的生活節(jié)奏很快。由于他個人能力與品格的吸引，他的實驗室中聚集了一批年輕有為、才華超群的物理學(xué)人才。1968年度諾貝爾獎獲得者L·阿爾瓦雷茨曾這樣評價勞倫斯對他們的影響：“歐內(nèi)斯特·勞倫斯的影響標(biāo)志之一就是這樣一個事實：我是他那個實驗室工作人員中第8個獲得了科學(xué)家所能獲得的最高榮譽——諾貝爾獎金的人。”

勞倫斯精力充沛，一位實驗室工作人員說：“勞倫斯的精力非常旺盛，他簡直要把我累死了。我們的實驗室經(jīng)常燈火通明，常常需要我們一鼓作氣連干一兩天。我們干了一整天、一整夜，第二天又干了一整天，而勞倫斯居然在第二天晚上赴約會。他的精力充沛得令人吃驚!他有著使不完的精力，而且對事物有非常敏銳的洞察力。他是我們實驗室的主要推動力。他是一個出色的、天才般的實驗家?！?/p>

勞倫斯常常在生活中思考某個物理問題。一次，他和同伴去看電影，把汽車停在電影院門口的街上，談物理問題一直談到電影院。電影結(jié)束后，又一路說著回到實驗室。汽車被遺忘了兩天，后來他根本想不起來車停在哪里。

回旋加速

1919年，物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福用天然a粒子從氦原子核中打出質(zhì)子，這標(biāo)志著人類第一次實現(xiàn)了改變化學(xué)元素的人工核反應(yīng)。這種用粒子轟擊原子核引起核反應(yīng)的方法，很快成為人們研究原子核的重要手段。但盧瑟福的發(fā)現(xiàn)同樣告訴人們，要想成功完成打碎原子核的實驗，必須把粒子加速到很高的能量。

1927年，盧瑟福曾提出用加速器為粒子提供足夠的能量以實現(xiàn)原子核嬗變是可能的。受盧瑟福的理論影響，勞倫斯開始了探索。1929年春的一個晚上，勞倫斯在圖書館翻閱期刊雜志，看到挪威工程師威德羅的論文《關(guān)于產(chǎn)生高壓的新原理》，威德羅在文中闡述的解決高壓問題的方法，是把高頻振蕩電壓適當(dāng)?shù)丶拥揭贿B串的圓筒形電極上來加速正離子。這種離子多次加速的新思想使勞倫斯意識到，這正是他日夜尋找的加速正離子問題的真正答案。

但是，勞倫斯估算了一下，能量超過1兆電子伏特的直線加速器的長度可能達(dá)數(shù)米，這樣的長度并不適合當(dāng)時的實驗室環(huán)境。因此，他開始考慮，能否不用在一條直線上的許多圓筒形電極，而使用兩個電極，通過均勻的磁場裝置使正離子反復(fù)通過這兩個電極。如果在這種磁場中放一個離子源，在軌跡的一條直徑上加一個垂直于磁場的、與離子運動頻率相同變化的交變電壓，使離子在通過該直徑時被加速，即讓被加速的粒子與振蕩電場發(fā)生共振，這樣就可以實現(xiàn)粒子多次加速。

把兩個呈字母D形的盒子相對放置，D型盒上加一個上述的交變電壓，并將整個系統(tǒng)置于一個真空室內(nèi)，即可實現(xiàn)粒子不斷加速的目的。這就是勞倫斯于1929年提出的回旋加速器的思想。這樣不需高壓，只要通過多次加速，使粒子獲得高能量，因而避免了高壓帶來的困難，而且只需相對小得多的空間。

1930年春，建造回旋加速器的工作正式開始了。1931年，在學(xué)生的協(xié)助下，第一臺可行的加速器終于制造出來。在這臺裝置里，質(zhì)子在一個巨大的電磁體的兩個平面極之間沿圓形軌道運行。質(zhì)子在真

空中的運行軌道來回穿過兩個D型電極之間的空隙。給D型電極加上交變電壓，這樣每個質(zhì)子在一個繞行周期中就獲得兩次能量“突增”。質(zhì)子運動得越來越快，它們就沿著螺旋形軌道逐漸靠近儀器的邊緣，最終通過一個狹縫射出，轟擊靶子。利用這臺機器，能獲得百萬電子伏特的原子“炮彈”用以轟擊其他原子的原子核，使之釋放出巨大的原子能，從而引起許多新的核裂變。這些實驗的結(jié)果之一，就是把普通的鹽，轉(zhuǎn)變?yōu)榉派涑霰忍烊坏蔫D所放射出的射線還要強的人工放射性物質(zhì)。

1932年春，勞倫斯和他的合作者成功地建造了直徑為11英寸的回旋加速器，并能將質(zhì)子加速到能量為1兆電子伏特。但勞倫斯并不滿足，1939年，他又成功地建造了一個重225噸的新的回旋加速器，可提供20兆電子伏特的能量，超過天然放射源的能量水平。然而勞倫斯的探索仍不停止，1941年，他終于制造出一臺理想的回旋加速器，對核裂變及核力問題的研究起了極其重要的作用。

影響深遠(yuǎn)

回旋加速器的研制成功，是勞倫斯對原子核物理發(fā)展所做出的極為重要的貢獻(xiàn)。天然放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的a粒子，能量極其有限，數(shù)量也很少，嚴(yán)重阻礙了原子核物理的研究與發(fā)展。利用回旋加速器，人們能夠獲得高能量的粒子，從而使原子核的研究向前邁進(jìn)了一大步。勞倫斯在研制加速器的同時，花費許多時間研究和生產(chǎn)放射性同位素，發(fā)現(xiàn)了已知元素的幾百種放射性同位素。此外，世界上第一個人造元素锝也是在勞倫斯的回旋加速器中產(chǎn)生的。

回旋加速器也為利用原子能揭開了新篇章。第二次世界大戰(zhàn)期間，在勞倫斯、康普頓等領(lǐng)導(dǎo)下，研究鈾裂變、制造原子彈的工作全力以赴地展開了。珍珠港事件的前一天，勞倫斯報告說，他能在一小時內(nèi)從U238中分離出1微克非常純的U235。這使得官方在1942年批準(zhǔn)了耗資3億多美元的橡樹嶺大實驗室，為制造轟炸廣島的原子彈提供所需的U235。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，勞倫斯回到了伯克利的研究工作中。1946年，伯克利輻射實驗室成功地制成了184英寸的新型同步回旋加速器。1948年，輻射實驗室用這臺加速器第一次實現(xiàn)了人工制造介子。在當(dāng)時，這也是世界上惟一可以產(chǎn)生介子的裝置，由此開始了用加速器研究基本粒子的新時期。

今天，加速器成為高能物理研究中必不可少的重要工具。加速器的能量大小，成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

1958年8月27日，勞倫斯在加利福尼亞的帕洛阿爾托逝世。為了紀(jì)念勞倫斯，加利福尼亞州的伯克利和利弗莫爾加建立了勞倫斯實驗室，美國原子能委員會頒發(fā)一年一次的勞倫斯獎，還用他的名字命名了第103號元素——鐒。