加速器

科學家在研究原子核的結構時，采用了高速運動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釋放的a粒子來轟擊物質。1919年他成功地從氮原子核中打出了質子，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子來。

然而使用天然產生的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粒子無法直接瞄準原子核，發(fā)生碰撞全憑湊巧。在盧瑟福最初轟擊氮的實驗中，根據(jù)計算，每300 000個a粒子才有一個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家蓋莫夫提出，可以用質子代替a粒子。質子的質量只有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。但是質子的能量很小，不過通過電場可以對它施加作用力，增加它的能量。于是物理學家們開始嘗試設計粒子加速器。1930年第一臺實用的這種裝置出英國物理學家考克拉夫特和瓦耳頓在劍橋大學制造成功了。這臺裝置叫做靜電加速器，它能夠產生數(shù)十萬伏特的電壓，從而使質子擁有足夠高的能量。1932年，他們利用加速后的質子使鋰7原子核發(fā)生分裂。這是第一個由人造轟 擊粒子引起的核反應。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回旋加速器，這臺加速器利用一塊磁鐵使質子沿著越來越大的圓周軌道運動。每經過一圈都得到一些能量，直至最后越出磁鐵的作用范圍，質子就以最大的能量沿著直線射出儀器之外。

開始時，勞倫斯制作的回旋加速器模型結構簡陋，真空室的直徑只有10.2厘米。隨后他又制作了可以實用的回旋加速器，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，可將質子加速到80000電子伏特，不到1千伏的電壓，達到了8萬伏的加速效果。

此后勞倫斯不斷改進回旋加速器，1936年，他改制成94厘米回旋加速器。使粒子能量達到6兆電子伏特，用它測量了中子磁矩，并且產生了第一個人造元素──锝(Tc)由于實驗的要求，科學家更進一步發(fā)展了同步加速器(最初的回旋加速器的后代)。同步加速器的周長可達數(shù)十公里，將粒子加速至光速的99.999%，相當于每小時92億5千萬公里。目前加速器已經和原子核物理緊緊結合在一起，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達27公里。