加速器

科學(xué)家在研究原子核的結(jié)構(gòu)時(shí)，采用了高速運(yùn)動(dòng)的亞原子粒子去轟擊原子核。早在1906年，盧瑟福就利用放射性物質(zhì)釋放的a粒子來轟擊物質(zhì)。1919年他成功地從氮原子核中打出了質(zhì)子，使氮原子核變成氧原子核。到1924年他已證明了a粒子能夠從周期表中鉀以前的幾乎所有元素的原子核里打出質(zhì)子來。

然而使用天然產(chǎn)生的a粒子作為轟擊物，有很大的局限性。首先帶正電的a粒子與帶正電的原子核相互排斥，要消耗很大的能量;其次a粒子無法直接瞄準(zhǔn)原子核，發(fā)生碰撞全憑湊巧。在盧瑟福最初轟擊氮的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)計(jì)算，每300 000個(gè)a粒子才有一個(gè)能僥幸擊中氮原子核。

用什么提高轟原子核的效率呢?1928年，俄國出生的美國物理學(xué)家蓋莫夫提出，可以用質(zhì)子代替a粒子。質(zhì)子的質(zhì)量只有a粒子的四分之一，電量只有a粒子的一半，而且很容易得到，只要把氫原子電離就行了。但是質(zhì)子的能量很小，不過通過電場(chǎng)可以對(duì)它施加作用力，增加它的能量。于是物理學(xué)家們開始嘗試設(shè)計(jì)粒子加速器。1930年第一臺(tái)實(shí)用的這種裝置出英國物理學(xué)家考克拉夫特和瓦耳頓在劍橋大學(xué)制造成功了。這臺(tái)裝置叫做靜電加速器，它能夠產(chǎn)生數(shù)十萬伏特的電壓，從而使質(zhì)子擁有足夠高的能量。1932年，他們利用加速后的質(zhì)子使鋰7原子核發(fā)生分裂。這是第一個(gè)由人造轟 擊粒子引起的核反應(yīng)。由于采用了很高的電壓，它的發(fā)展受到高壓絕緣的限制，因此，人們就想利用較低的電壓，使粒子加速到高能量。1930年勞倫斯建成第一臺(tái)回旋加速器，這臺(tái)加速器利用一塊磁鐵使質(zhì)子沿著越來越大的圓周軌道運(yùn)動(dòng)。每經(jīng)過一圈都得到一些能量，直至最后越出磁鐵的作用范圍，質(zhì)子就以最大的能量沿著直線射出儀器之外。

開始時(shí)，勞倫斯制作的回旋加速器模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋，真空室的直徑只有10.2厘米。隨后他又制作了可以實(shí)用的回旋加速器，用黃銅和封蠟作真空室，直徑也只有110.4厘米，加上不到1千伏電壓之后，可將質(zhì)子加速到80000電子伏特，不到1千伏的電壓，達(dá)到了8萬伏的加速效果。

此后勞倫斯不斷改進(jìn)回旋加速器，1936年，他改制成94厘米回旋加速器。使粒子能量達(dá)到6兆電子伏特，用它測(cè)量了中子磁矩，并且產(chǎn)生了第一個(gè)人造元素──锝(Tc)由于實(shí)驗(yàn)的要求，科學(xué)家更進(jìn)一步發(fā)展了同步加速器(最初的回旋加速器的后代)。同步加速器的周長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十公里，將粒子加速至光速的99.999%，相當(dāng)于每小時(shí)92億5千萬公里。目前加速器已經(jīng)和原子核物理緊緊結(jié)合在一起，不少新的粒子就是由加速器發(fā)現(xiàn)的。最先發(fā)現(xiàn)夸克的加速器直徑為3.2公里，歐洲建造的加速器周長(zhǎng)達(dá)27公里。