發(fā)射轟擊粒子的“原子炮”

盧瑟福在首次人工核反應(yīng)中，作為炮彈用的α轟擊粒子是來自天然放射性元素鐳的衰變產(chǎn)物。因它能量較小，故只能與氮、鎂和鋁等少數(shù)輕元素發(fā)生核反應(yīng)。另外在實驗中發(fā)現(xiàn)許多α粒子都毫無目標(biāo)向四面八方亂射。這就好像劣等炮手操炮時不加瞄準(zhǔn)，盲目發(fā)射炮彈，結(jié)果很少擊中目標(biāo)一樣。例如，對氮核而言，需用30萬個α粒子才有一個氮核被擊中；同樣，如用鋁核作靶子，則需用12萬5千個α粒子轟擊才有一個鋁核被擊中發(fā)生核反應(yīng)。由此可知，這種天然放射性所發(fā)射的α粒子命中率實在太低，而且從能量和強(qiáng)度方面看也太弱，因為放射α粒子的鐳鹽實在太少了，當(dāng)時都是以毫克來計量的。所有這些弱點，都嚴(yán)重地影響核反應(yīng)實驗的進(jìn)行。

　　但是，科學(xué)家們?yōu)榱私议_原子核內(nèi)部的秘密，往往像小孩子為了想知道有趣玩具內(nèi)部的奧妙，經(jīng)常把玩具拆開那樣，總想把原子核打開來看個究竟。于是他們就設(shè)法把更多的粒子(如氫核和氦核等)用來作為轟擊原子核的炮彈，并把它們裝填在能產(chǎn)生極快速度，又能按照指定方向發(fā)射的“原子炮”中，以準(zhǔn)確命中更多的原子核，產(chǎn)生各種各樣的核反應(yīng)。

　　就在1928年，生于俄國的美國物理學(xué)家蓋莫夫提出了用質(zhì)子替代α粒子作為炮彈的設(shè)想。由于質(zhì)子本身所帶的電荷少，因此與核相互作用的靜電斥力也小。這樣即使能量比較小的質(zhì)子(能量為50～60萬電子伏)，它也能克服庫侖每秒一千萬到十億個，而每秒一個毫安的質(zhì)子流可獲得的質(zhì)子數(shù)就比α粒子流要大一百萬倍左右。

　　另外，質(zhì)子也比較容易取得，只要把普通的氫原子剝?nèi)ヒ粋�電子后就成為質(zhì)子。這樣帶正電荷的質(zhì)子又能方便地被電場加速，使它的能量能大大地提高。為此，物理學(xué)家會同機(jī)械設(shè)計師一起開始設(shè)計制造這種能夠加速粒子的機(jī)器，人們習(xí)慣上稱它為“粒子加速器”或“原子炮”。

　　就在1930年前后，英國物理學(xué)家考克饒夫和瓦爾頓一起建造了第一臺粒子加速器。它是利用高壓電極上的高電勢，對離子源所發(fā)射的質(zhì)子流，在抽真空的加速管中被加速，最后打在靶子上，同靶原子核發(fā)生核反應(yīng)。這實際上是一臺倍壓加速器，當(dāng)時他們在五級加速電極之間加上80萬伏高電勢，獲得了能量約為70萬電子伏特的質(zhì)子流，最后被打在鋰7靶上。所產(chǎn)生的核反應(yīng)仍用硫化鋅制成的熒光屏進(jìn)行觀測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)每10億個質(zhì)子中就有一個質(zhì)子打中鋰核產(chǎn)生反應(yīng)，形成一個具有4個質(zhì)子和4個中子的不穩(wěn)定中間核。然后，分解成兩個氦核。

　　從上式可看出，核反應(yīng)的最終結(jié)果生成了兩個α粒子。根據(jù)力學(xué)定律，它們應(yīng)該帶著相同的能量，向相反方向飛出，這可從威爾遜云室所攝取的照片上所觀測到的向相反方向成對飛出的α粒子徑跡得到驗證。另外，根據(jù)它們在空氣中的射程(為8.4厘米)，求得其能量各為8.8兆電子伏。

　　由此可見，核反應(yīng)結(jié)果所得能量竟然是入射質(zhì)子能量0.7兆電子伏的25倍。這就預(yù)示著人們將可從核反應(yīng)過程中取得巨大的能量。

　　而另外一種加速器是在1931年由美國物理學(xué)家范德格喇夫建造而成的。他突破了倍壓加速器在高電壓上的限制，首先應(yīng)用動帶式靜電起電機(jī)獲得了高達(dá)1.5百萬伏電勢差。后人為了紀(jì)念他，就把這種類型的粒子加速器稱作為范德格喇大靜電加速器。其主要部件高壓電極的直徑1～2米。而到了1933年已大到4.57米；1936年達(dá)10米。但最高電壓都不超過3兆伏。1940年后又提高到5兆伏。后來在結(jié)構(gòu)上又作了很大改進(jìn)，在1955年發(fā)展成為串列式靜電加速器，每一級為10兆伏，二級為20兆伏，三級則為30兆伏。質(zhì)子流強(qiáng)為4微安。由于它具有加速能量高、束流品質(zhì)好、能量穩(wěn)定度高等優(yōu)點。所以一直是原子核物理實驗研究工作不可缺少的工具。

　　與此同時，其它各種類型的“原子炮”也得到了飛速發(fā)展。其中最著名的是美國物理學(xué)家勞倫斯在1931年設(shè)計制造了第一臺用來加速離子的回旋加速器，它的工作原理是被加速的帶電粒子在兩個扁平的“D”形盒中作圓周運動。D形盒內(nèi)部是抽高真空的，被加速粒子的圓周運動是由磁場作用所造成的。只有當(dāng)帶電粒子通過交變電場時才能被不斷加速獲得能量。

　　勞倫斯的第一臺回旋加速器的磁極直徑只有10厘米，加速電壓為2000伏，能把氫離子加速到8萬電子伏。到了1932年，他把直徑增大到27厘米，質(zhì)子能量可加達(dá)到1.2兆電子伏；1993年，磁極直徑已達(dá)1.5米，磁鐵重220噸，能把質(zhì)子核氘核分別加速到10和20兆電子伏。束流強(qiáng)度可達(dá)每秒6兆億個氘核，所以說加速器的效能的確是十分巨大的。

　　但是，回旋加速器卻不能加速質(zhì)量極小的電子。而世界上第一臺用于加速電子的電子感應(yīng)加速器是在1940年建成的，當(dāng)時只能把電子加速到2.3兆電子伏。1942年建成20兆電子伏的電子感應(yīng)加速器。到了1945年，電子能量又提高到100兆萬電子伏。而目前世界上最大的一臺電子感應(yīng)加速器能把電子加速到315兆電子伏。

　　除此以外，在加速器的類型中還有直線加速器。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，1947年已經(jīng)開始建造行波電子直線加速器和駐波質(zhì)子加速器，它們分別能把電子加速到22000兆電子伏；把質(zhì)子加速到800兆電子伏。

　　近年來，世界上工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的美岡和蘇聯(lián)，它們把加速器越作越大。其中高能環(huán)形加速器的直徑達(dá)2公里；直線型加速器的長度超過2公里，被加速質(zhì)子的能量高達(dá)5000億電子伏。這就是英國在1969～1972年間建成的世界上最大的加速器。它的磁鐵重達(dá)900O噸。電力消耗峰值為5萬千瓦。而當(dāng)今國際上還在倡議建造世界性的大加速器，直徑將近20公里，加速能量十萬億電子伏。它比目前最大的加速能量大20倍，總投資達(dá)20億美元。

　　總之，在建造原子炮的過程中，為了能獲得高能量的“炮彈”，其耗資是十分驚人的。而且在加速“炮彈”過程中也要消耗巨大的能量。就被命中靶核的單發(fā)“炮彈”而言，它有可能通過核反應(yīng)把更大的能量釋放出來。即使這樣，原子炮本身仍然存在著打不準(zhǔn)、效率低的問題，千萬發(fā)“炮彈”中只有一發(fā)能命中靶。當(dāng)然，作為靶子的原子核本身其體積十分微小，確實不易被瞄準(zhǔn)。加上靶核所帶的正電荷對炮彈有靜電排斥作用，即使把靶子做得很厚使靶核數(shù)大大增加也無濟(jì)于事。這是因為被加速器加速的帶電粒子所攜帶的能量，在靶子的表面層內(nèi)很快被消耗殆盡，僅能深入1毫米后就停止不前了。所有這一切，使得科學(xué)家們希望能夠找到命中率更高的炮彈。1932年中子的發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了這個愿望。