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加速器

科学家在研究原子核的结构时,采用了高速运动的亚原子粒子去轰击原子核。早在1906年,卢瑟福就利用放射性物质释放的高速。α粒子来轰击物质。1919年他成功地从氮原子核中打出了质子,使氮原子核变成氧原子核。到1924年他已证明了α粒子能够从周期表中钾以前的几乎所有元素的原子核里打出质子来。

然而使用天然产生的α粒子作为轰击物,有很大的局限性。首先带正电的α粒子与带正电的原子核相互排斥,要消耗很大的能量;其次α粒子无法直接瞄准原子核,发生碰撞全凭凑巧。在卢瑟福最初轰击氮的实验中,根据计算,每300 000个。α粒子才有一个能侥幸击中氮原子核。

用什么办法能提高轰击原子核的效率呢?1928年,俄国出生的美国物理学家盖莫夫提出,可以用质子代替α粒子。质子的质量只有α粒的四分之一,电量只有α粒子的一半,而且很容易得到,只要把氢原子电离就行了。但是质子的能量很小,不过通过电场或磁场可以对它施加作用力,增加它的能量。于是物理学家们开始尝试设计粒子加速器。1930年第一台实用的这种装置由英国物理学家考克拉夫特和瓦耳顿在剑桥大学制造成功了。这台装置叫做静电加速器,它能够产生数十万伏特的电压,从而使质子拥有足够高的能量。1932年,他们利用加速后的质子使锂7原子核发生分裂。这是第一个由人造轰击粒子引起的核反应。由于采用了很高的电压,它的发展受到高压绝缘的限制,因此,人们就想利用较低的电压,使粒子加速到高能量。1930年劳伦斯建成第一台回旋加速器,这台加速器利用一块磁铁使质子沿着越来越大的圆周轨道运动,每经过一圈都得到一些能量,直至最后越出磁铁的作用范围,质子就以最大的能量沿着直线射出仪器之外。

开始时,劳伦斯制作的回旋加速器模型结构简陋,真空室的直径只有10.2厘米。随后他又制作了可以实用的回旋加速器,用黄铜和封蜡作真空室,直径也只有11.4厘米,加上不到1千伏电压之后,可将质子加速到80000电子伏特。不到1千伏的电压,达到了8万伏的加速效果。

此后劳伦斯不断改进回旋加速器。1936年,他改制成94厘米回旋加速器,使粒子能量达到6兆电子伏特。用它测量了中子磁矩,并且产生了第一个人造元素——锝(Tc)。

由于实验的要求,科学家更进一步发展了同步加速器(最初的回旋加速器的后代)。同步加速器的周长可达数十公里,将粒子加速至光速的99.999%,相当于每小时92亿5千万公里。

目前加速器已经和原子核物理紧紧结合在一起,不少新的粒子就是由加速器发现的。

最先发现夸克的加速器直径为3.2公里,欧洲原子核研究中心在日内瓦建造的加速器周长达2 7公里。

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