公共基础知识之核世界奥秘的探索
新疆华图 | 2012-06-05
分享
发射轰击粒子的“原子炮”
卢瑟福在首次人工核反应中，作为炮弹用的α 轰击粒子是来自天然放射性元素镭的衰变产物。因它能量较小，故只能与氮、镁和铝等少数轻元素发生核反应。另外在实验中发现许多α 粒子都毫无目标向四面八方乱射。这就好像劣等炮手操炮时不加瞄准，盲目发射炮弹，结果很少击中目标一样。例如，对氮核而言，需用30 万个α 粒子才有一个氮核被击中;同样，如用铝核作靶子，则需用12 万5 千个α粒子轰击才有一个铝核被击中发生核反应。由此可知，这种天然放射性所发射的α 粒子命中率实在太低，而且从能量和强度方面看也太弱，因为放射α 粒子的镭盐实在太少了，当时都是以毫克来计量的。所有这些弱点，都严重地影响核反应实验的进行。
但是，科学家们为了揭开原子核内部的秘密，往往像小孩子为了想知道有趣玩具内部的奥妙，经常把玩具拆开那样，总想把原子核打开来看个究竟。于是他们就设法把更多的粒子(如氢核和氦核等)用来作为轰击原子核的炮弹，并把它们装填在能产生极快速度，又能按照指定方向发射的“原子炮”中，以准确命中更多的原子核，产生各种各样的核反应。
就在1928 年，生于俄国的美国物理学家盖莫夫提出了用质子替代α 粒子作为炮弹的设想。由于质子本身所带的电荷少，因此与核相互作用的静电斥力也小。这样即使能量比较小的质子(能量为50～60万电子伏)，它也能克服库仑每秒一千万到十亿个，而每秒一个毫安的质子流可获得的质子数就比α 粒子流要大一百万倍左右。
另外，质子也比较容易取得，只要把普通的氢原子剥去一个电子后就成为质子。这样带正电荷的质子又能方便地被电场加速，使它的能量能大大地提高。为此，物理学家会同机械设计师一起开始设计制造这种能够加速粒子的机器，人们习惯上称它为“粒子加速器”或“原子炮”。
就在1930 年前后，英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿一起建造了第一台粒子加速器。它是利用高压电极上的高电势，对离子源所发射的质子流，在抽真空的加速管中被加速，最后打在靶子上，同靶原子核发生核反应。这实际上是一台倍压加速器，当时他们在五级加速电极之间加上80 万伏高电势，获得了能量约为70 万电子伏特的质子流，最后被打在锂7 靶上。所产生的核反应仍用硫化锌制成的荧光屏进行观测。结果发现每10 亿个质子中就有一个质子打中锂核产生反应，形成一个具有4 个质子和4 个中子的不稳定中间核。然后，分解成两个氦核。#p#分页标题#e#
从上式可看出，核反应的最终结果生成了两个α 粒子。根据力学定律，它们应该带着相同的能量，向相反方向飞出，这可从威尔逊云室所摄取的照片上所观测到的向相反方向成对飞出的α 粒子径迹得到验证。另外，根据它们在空气中的射程(为8.4 厘米)，求得其能量各为8.8 兆电子伏。
由此可见，核反应结果所得能量竟然是入射质子能量0.7 兆电子伏的25 倍。这就预示着人们将可从核反应过程中取得巨大的能量。
而另外一种加速器是在1931 年由美国物理学家范德格喇夫建造而成的。他突破了倍压加速器在高电压上的限制，首先应用动带式静电起电机获得了高达1.5 百万伏电势差。后人为了纪念他，就把这种类型的粒子加速器称作为范德格喇大静电加速器。其主要部件高压电极的直径1～2 米。而到了1933 年已大到4.57 米;1936 年达10 米。但最高电压都不超过3 兆伏。1940 年后又提高到5 兆伏。后来在结构上又作了很大改进，在1955 年发展成为串列式静电加速器，每一级为10 兆伏，二级为20 兆伏，三级则为30 兆伏。质子流强为4 微安。由于它具有加速能量高、束流品质好、能量稳定度高等优点。所以一直是原子核物理实验研究工作不可缺少的工具。
与此同时，其它各种类型的“原子炮”也得到了飞速发展。其中最著名的是美国物理学家劳伦斯在1931 年设计制造了第一台用来加速离子的回旋加速器，它的工作原理是被加速的带电粒子在两个扁平的“D”形盒中作圆周运动。D 形盒内部是抽高真空的，被加速粒子的圆周运动是由磁场作用所造成的。只有当带电粒子通过交变电场时才能被不断加速获得能量。劳伦斯的第一台回旋加速器的磁极直径只有10 厘米，加速电压为2000 伏，能把氢离子加速到8 万电子伏。到了1932 年，他把直径增大到27 厘米，质子能量可加达到1.2 兆电子伏;1993 年，磁极直径已达1.5 米，磁铁重220 吨，能把质子核氘核分别加速到10 和20 兆电子伏。束流强度可达每秒6 兆亿个氘核，所以说加速器的效能的确是十分巨大的。
但是，回旋加速器却不能加速质量极小的电子。而世界上第一台用于加速电子的电子感应加速器是在1940 年建成的，当时只能把电子加速到2.3 兆电子伏。1942 年建成20 兆电子伏的电子感应加速器。到了1945 年，电子能量又提高到100 兆万电子伏。而目前世界上最大的一台电子感应加速器能把电子加速到315 兆电子伏。#p#分页标题#e#
除此以外，在加速器的类型中还有直线加速器。随着微波技术的发展，1947 年已经开始建造行波电子直线加速器和驻波质子加速器，它们分别能把电子加速到22000 兆电子伏;把质子加速到800 兆电子伏。
近年来，世界上工业和科学技术发达的美冈和苏联，它们把加速器越作越大。其中高能环形加速器的直径达2 公里;直线型加速器的长度超过2 公里，被加速质子的能量高达5000 亿电子伏。这就是英国在1969～1972 年间建成的世界上最大的加速器。它的磁铁重达900O 吨。电力消耗峰值为5 万千瓦。而当今国际上还在倡议建造世界性的大加速器，直径将近20 公里，加速能量十万亿电子伏。它比目前最大的加速能量大20 倍，总投资达20 亿美元。
总之，在建造原子炮的过程中，为了能获得高能量的“炮弹”，其耗资是十分惊人的。而且在加速“炮弹”过程中也要消耗巨大的能量。就被命中靶核的单发“炮弹”而言，它有可能通过核反应把更大的能量释放出来。即使这样，原子炮本身仍然存在着打不准、效率低的问题，千万发“炮弹”中只有一发能命中靶。当然，作为靶子的原子核本身其体积十分微小，确实不易被瞄准。加上靶核所带的正电荷对炮弹有静电排斥作用，即使把靶子做得很厚使靶核数大大增加也无济于事。这是因为被加速器加速的带电粒子所携带的能量，在靶子的表面层内很快被消耗殆尽，仅能深入1 毫米后就停止不前了。所有这一切，使得科学家们希望能够找到命中率更高的炮弹。1932 年中子的发现，实现了这个愿望。
