如何制造回旋加速器

1.如何制造回旋加速器

大约40年前（1919年），罗得福特发现用镭释放的阿尔法射线去冲击氮，可以将氮转变成氧。所谓阿尔法射线，实际上就是高速的氦原子核。从此，为了研究原子核，科学家们开始寻找方法使类似原子的粒子以极高的速度运动起来。

1920年建成了第一座粒子加速装置，当时它只是一个可提高电压及提高真空度的普通放电管，主要是由一个简单的真空管构成的。这个真空管带有两个电极，一个电极带正电位，另一个电极带负电位。两电极间的电位差大概有100万电子伏特。

在正电极这一端造出带着正电荷的阿尔法粒子，粒子受到负电极的吸引，向负电极运动，在运动过程中粒子像下坡一样不断增加运动能量，最后直接跟负电极的原子相撞，产生原子核反应，撞击放出来的射线则从负电极射了出去。

不久，人们便发现这种加速器只能把粒子能量加速到100万～200万电子伏特。要将粒子能量加速到数千万甚至数亿电子伏特，仍需要再想办法。

回旋加速器的原理

每个孩子都知道，有两种方法可以把秋千升高，一种是一鼓作气，另一种是每摇动一次用一点力，慢慢升高。前面提到的高电压加速装置就如同第一种方法。

1929年，采用以上所说的第二种方法发明了回旋加速器：使粒子在圆圈里面飞动，每当回到起始位置时就从后面施加推力，使其渐渐加速。伦敦科学博物馆的Ward博士制作了一个回旋加速器模型，利用这个模型可以很巧妙地说明此加速器的作用。下面照片中所示的是回旋加速器模型的复制品。

说明回旋加速器的机器模型

两个口交相上上下下，使球不断地下坡

回旋加速器的真空管里面有两个半圆形的电极，称之为“D”。这两个电极的电位会在正、负之间互相变换，就是说电位会时高时低。在模型上用两个半圆板的上下移动来表示电位的高低（当然真的电极不会这样上下移动），用铁球代表粒子，利用重力代替电位差使铁球加速。加速后的铁球在模型的螺旋形沟内转动，代替粒子在回旋加速器内受到强力磁场的作用，在不接触内壁的前提下绕着螺旋轨道飞驰。

加速器中心造出的粒子，从一个“D”飞出到达另一个“D”之后，加速就开始。铁球顺着沟纹画成半圆后移到另一个半圆板。同时两个半圆板会变换上下关系，但是铁球仍然不断加快速度做下坡运动。如此，两个半圆板（D）会不断地互相变换高低，致使铁球在任何时候都处于下坡状态。

粒子每通过一次两个“D”，都会增加自身的运动能量，从而慢慢向外侧移动，最后在最外侧冲上靶心。靶心就是我们所要研究的，产生原子核反应的地方。两个“D”之间的电位差是由高周波电压产生的，在振动着的电场中它会配合粒子运动的速度而变换自己的方向。粒子在冲上靶心之前，要通过两个“D”好几百次，因此最后得到的能量相当于一次最大加速电压的数百倍。

回旋加速器的发展

这张照片上显示的是1930年的回旋加速器，这是试造的第一个回旋加速器。它没有装磁铁，性能也没有多好，但总算是可以操作，因此我们把它留作纪念。在这个回旋加速器上，两个电极被蜡粘在一起，并把它们放在一块磁铁的中间。第二个模型跟第一个尺寸相当，8英寸，性能还不错，被使用了很久。

1930年的第一个回旋加速器

接下来造成的就是11英寸的机器，它产生的电压可以达到100万伏特。我们用它实地做过原子核的实验。事实上，研究者们正是使用这个11英寸回旋加速器首次实现了原子核衰变。

11英寸回旋加速器

后来又陆续出现了27英寸和37英寸的回旋加速器。前者产生的电压位于400万～500万伏特之间。在它的帮助下，我们合成了许多新的放射性同位素。

之后，60英寸的回旋加速器诞生了，它可以造出5000万电子伏特的阿尔法粒子，直到今天我们还在使用它。

再后造成的是184英寸的同步回旋加速器。1957年经改造后，现在可以造出7.2亿电子伏特的粒子。今天借助这个重达4000吨的机器从事大量研究，今后也会不断地继续下去。

射线研究所里还有更大的加速器———质子加速器，它与回旋加速器有着许多共同的特征。质子加速器的发明者是Macmillan。它的名字“Bevatron”中的bev取自10亿电子伏特英文的第一个字母（billion electron volt）。这个装置可以将粒子能量加速到62亿电子伏特。

由上往下依次是：27英寸回旋

加速器（站在旁边的是劳伦斯）、60英寸回旋加速器、180英寸回旋加速器

质子加速器是在一座巨大的圆形建筑物里面建成的。粒子在一个直径为30米的磁铁中回转，与25年前建成的8英寸回旋加速器相比，其进步实在惊人。

我们不知道还会进步到什么程度。目前在美国的Brook Heaven、Long Island、瑞士的Geneve正在建造更大的加速装置。我相信，1000亿电子伏特的加速器在将来一定可以造出来。

元素的合成

如此，回旋加速器成了制造人工合成元素及发现新元素的基本工具。其实在1925年，人们发现了第88种天然元素的时候，科学家们就开始人工制造元素了。

天然元素中铀的重量最大，原子序数为92。1925年，元素周期表上还留有4个空位，表示还有4种元素没有被发现。它们就是“锝（Tc）”“钷（Pm）”“砹（At）”“钫（Fr）”，原子序数分别为43、61、85及87。其中几种曾被误传于1937年之前已被发现，不过这种说法不久就被订正了。

质子加速器

这4种元素在大约50亿年前地球刚诞生时就已经存在了，但在今天，我们已经无法在地球上找到了。这是因为它们的原子核非常不稳定，在漫长的岁月中不断放出射线而衰变，最终完全消失，变成更轻、更稳定的其他种元素。当然，在今天，我们还可以通过人工方法把这些元素造出来。现在，如果我们要说明元素的不稳定性、放射能及元素的变换等问题，就必须研究原子核的构造。

一般我们用圆圈围加号“8”代表质子，圆圈里的加号表示一单位的正电荷。前面说过，普通的氢原子只有一个质子。给氢原子加一个不带电荷的中子，就变成了重氢，是氢的同位素。如果再给重氢加一个中子和质子，就成了氦的原子核。如果再给氦的原子核加一个质子和中子，就成为锂的原子核。这样逐个增加中子和质子的数目，就会不断生成更重的元素的原子核。

以银为例，它的一种同位素的原子核内含有47个质子和60个中子，其质子数与中子数的总和是107，所以重量（原子量）也是107。用记号表示银的原子核，就需要在其化学代号左下方写上47，即原子序数，也就是原子核里的质子数，在右上方写上107，也就是原子量，整个记号为₄₇Ag¹⁰⁷。

银的原子核受到中子的撞击，就会吞下一个中子而增加1单位的原子量，成为₄₇Ag¹⁰⁸，是银的同位素。

这种同位素比银稍重一点，具有放射能。所以原子核中的一个中子会获得一单位的正电荷而变成质子，与此同时，还会放出一个带负电荷的电子。

质子数增加1，原子序数变为48，从而由银变成了镉（Cd）。以中子（Neutron）的第一个字母n表示中子，以电子（Electron）的第一个字母e表示电子，可以将银受到中子的撞击而变为镉的过程表示为：

做这个实验并不困难。在一个装有镭和铍的袖珍原子破坏装置中放入银币，银会受到中子的撞击。如上所述，银原子吞下一个中子自动变为镉原子，与此同时，产生了一定程度的放射能，这种能量可以使盖氏计数器发出声音。类似情况在原子核受到某种粒子的撞击时都会发生，只是原子的一少部分会变换而已。

空白的四元素

1925年的元素周期表上还留有4个空位，它们分别是“锝（Tc）”“钷（Pm）”“砹（At）”和“钫（Fr）”。其中“锝（Tc）”“钷（Pm）”“砹（At）”是人工合成的元素，与将银变成镉所用的方法相同。第四种的钫（Fr）是在观测锕自动放出阿尔法射线而衰变时发现的，这种现象非常罕见。

所谓“阿尔法衰变”，是指元素放出阿尔法射线而转变成其他元素，它是放射能的一种形态。在这个过程中，元素会失去一个阿尔法粒子。阿尔法粒子就是氦的原子核，由两个质子和两个中子构成。

锕，原子序数89，质量数227，也属于放射性元素。一次偶然的机会，巴黎居里研究所的培莉小姐发现了锕放出阿尔法射线而衰变的现象，这是非常罕见的。在这个现象中，锕放出一个阿尔法粒子，从而失去了两个质子而变成原子序数为87的元素，培莉小姐用自己国家的名字为其命名，叫做“钫（Fr）”。

这个反应可以写成：

后者能够更清楚地表示锕放出阿尔法粒子的情形。

用语言来描述这一过程就是，锕的质子数是89，原子量是227，失去两个质子，4个质量而变成质子数为87、原子量为223的钫。钫的数量很少，寿命很短，只有当放射性元素衰变的时候才会存在于自然界中，寿命最长的钫的同位素，其半衰期也只有21分钟。所谓“半衰期”，就是放射性同位素的半数原子完成放射性衰变所需的时间。

其他三种，即锝、钷、砹，都可在回旋加速器或原子炉中用合成变换的方法人工制造出来。

合成元素的认识

制造元素并不太困难，但在造出元素之后还要确认它是否是新元素，是困难的事情。原子序数分别为43、61、85、87的四种元素，都是在将其自非常微量的标本中分离、浓缩后才被确认为新元素的。

Emirio Segre

以镭为例，假定它的量非常微小，无法称量，连看也看不到，那么确认其存在的方法只有两种：第一，靠检出放射能确认其存在；第二，利用元素周期表上位于镭上方的钡或锶等近亲元素，从它们的溶液中抽出微量的镭，从而确认其存在。即将一些近亲元素混合在溶液中，用普通的分析方法去分离那些元素，那么微量的镭也会被一起抽出来。研究者们就是采用了这种方法，实现了对锝、钷、砹、钫这四种元素的确认。

锝是第一个被合成且确认的元素，它的发现者是Segre及他的同事培里伊。Segre是加州大学的物理学教授，于1959年获得了诺贝尔物理学奖。

我们请Segre博士谈一谈他的发现吧。