1939年诺贝尔物理学奖.doc

1939年諾貝爾物理學獎 ((迴旋加速器的發明 1939年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞州柏克萊加州大學的勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence，1901(1958)，以表彰他發明和發展了迴旋加速器，以及用之所得到的結果，特別是人工放射性元素。 核物理學的誕生揭開了物理學發展史中嶄新的一頁，它不但標誌了人類對物質結構的認識進入了更深的一個層次，而且還意味著人類開始以更積極的方式變革自然、探索自然、開發自然和更充分地利用大自然的潛力。各種加速器的發明對核物理學的發展起了很大的促進作用，而勞倫斯的迴旋加速器則是這類創造中最有成效的一項。從三十年代起，以勞倫斯不斷革新迴旋加速器的活動為代表，物理學轉入了大規模的集體研究，儀器設備越來越複雜，物理學家越來越多地參加有組織的研究工作，物理學與技術的關係也越來越密切，操作調試要求協調配合，實驗室的規模要以工程的尺度來衡量，可以說，大規模物理學的出現是我們時代的特徵。 勞倫斯順應這一形勢，走在時代的前列。他以天才的設計思想、驚人的毅力和高超的組織才能，為原子核物理學和粒子物理學的發展作出了重大貢獻。 勞倫斯1901年8月8日出生於美國南達科他州南部的坎頓(Canton)教師的家庭裏，早年就對科學有濃厚興趣，喜歡作無線電通訊實驗，在活動中表現出非凡的才能，他聰慧博學，善於思考。勞倫斯原想學醫，卻於1922年以化學學士學位畢業於南達科他大學，後轉明尼蘇達大學當研究生。導師斯旺(Ｗ. F. G. Swann)對勞倫斯有很深影響，使他對電磁場理論進行了深入的學習。勞倫斯獲得碩士學位後隨斯旺教授轉芝加哥大學，在那裏他遇見了著名的年輕物理學家康普頓(A. H. Compton)教授。他往往在康普頓的實驗室裏陪康普頓整夜地進行X射線實驗，和康普頓傾談，從康普頓那裏吸取了許多經驗。勞倫斯在1925年以鉀的光電效應為題完成博士學位。在這期間，業餘從事用示波器做顯像實驗，如果不是有人捷足先登，說不定他會取得發明電視機的專利。他興趣廣泛，思路開闊，深得同行的讚許。勞倫斯在耶魯大學繼續研究兩年之後，於1927年當了助理教授。1928年轉到柏克萊加州大學任副教授。兩年後提升為教授，是最年輕的教授。在這裏他一直工作到晚年，使柏克萊加州大學由一所新學校成了核物理的研究基地。 在勞倫斯選擇科學研究方向時，拉塞福學派的工作吸引了他，使他瞭解到“實驗物理學家下一個重要陣地肯定是原子核”。但是，像拉塞福那樣用鐳輻射的α粒子撞擊原子核，效果畢竟是有限的，因為能量不足，強度也弱。他深知出路在於找到一種辦法，人為地使粒子加速，才能取得更好的效果。 1928年前後，人們紛紛在尋找加速粒子的方法。當時實驗室中用於加速粒子的主要設備是變壓器和整流器、衝擊產生器、靜電產生器、特士拉(Tesla)線圈等。這些方法全都要靠高電壓，可是電壓越高，對絕緣的要求也越苛刻，否則儀器就會被擊穿。正在勞倫斯苦思解決方案之際，一篇論文吸引了他的注意，使他領悟到可以採用一種巧妙的方法來解決這個矛盾。他後來在諾貝爾獎領獎演說中講到： “1929年初的一個晚上，當我正在大學圖書館瀏覽期刊時，我無意中發現在一本德文電氣工程雜誌上有一篇維德羅(Wideroe)的論文，討論正離子的多次加速問題。我讀德文不太容易，只是看看插圖和儀器照片。從文章中列出的各項數據，我就明確了他處理這個問題的一般方法，即在連成一條線的圓柱形電極上加一適當的無線電頻率振盪電壓，以使正離子得到多次加速。這一新思想立即使我感到找著了真正的答案，解答了我一直在尋找的加速正離子的技術問題。我沒有更進一步閱讀這篇文章，就停下來估算把質子加速到一百萬電子伏的直線加速器一般特性該是怎樣。簡單的計算表明，加速器的管路要好幾米長，這樣的長度在當時作為實驗室之用已是過於龐大了。於是我就問自己這樣的問題：不用直線上那許多圓柱形電極，可不可以靠適當的磁場裝置，只用兩個電極，讓正離子一次一次地來往於電極之間？再稍加分析，證明均勻磁場恰好有合適的特性，在磁場中轉圈的離子，其角速度與能量無關。這樣它們就可以以某一頻率與一振盪電場共振，在適當的空心電極之間來回轉圈。這個頻率後來叫做‘迴旋頻率’。”，圖39－1就是勞倫斯迴旋加速器的原理圖。圖中顯示了置於真空室中的兩個金屬D形盒D1、D2，兩盒之間加以高頻電壓，離子源處於中心O附近，均勻磁場垂直加於盒的平面。由於盒內無電場，離子將在盒內空間作等速圓周運動，只有在兩盒間的空隙才受電場作用。如果電場方向的改變正好與離子運動的週期合拍，就有可能在每次通過間隙時加速。隨著速度的增加，離子做圓周運動的半徑也將逐步加大，最後從視窗逸出。 圖39－1 勞倫斯迴旋加速器的原理圖 1930年春