歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1951

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-08-29
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  • 1951年的諾貝爾物理獎頒給了英國科學家考克饒夫爵士(Sir John Douglas Cockcroft, 1897年-1967年)與愛爾蘭科學家沃爾頓(Ernest Thomas Sinton Walton,1903年-1995年)。得獎理由是「他們在用人工加速原子產生原子核嬗變方面的開創性工作」。他們倆都是拉塞福的學生。
     
    Cockcroft
     


    考克饒夫1897年5月27日出生於英格蘭約克郡,1914年,他進入曼徹斯特維多利亞大學。念了一年後入伍,被派往西部戰線,參加了英法聯軍推進興登堡防線和第三次伊普爾戰役。戰後,考克饒夫選擇不返回曼徹斯特維多利亞大學,而是在曼徹斯特市政技術學院學習電機工程。1920年6月他獲得理學學士學位。1922年6月提交了有關“交流電的諧波分析”的理學碩士學位論文。然後他申請進入劍橋大學聖約翰學院。1925年9月6日在拉塞福指導下獲得博士學位。他當過俄羅斯物理學家彼得·卡皮察(Peter Kapitza)的助手,卡皮察從事極低溫下磁場的研究,考克饒夫幫他設計和建造了氦液化器。1928年11月5日,考克饒夫當選為聖約翰學院院士。1929年,考克饒夫被任命為聖約翰學院機械科學系的主管。1931年被任命為物理主管。後來還成了學院的財務主管(bursar)。考克饒夫是少見行政才幹極高的科學家。



    至於另外一位主角,歐尼斯特·沃爾頓,則是1903年出生在今愛爾蘭沃特福德郡鄧加文,1922年,沃爾頓獲得都柏林三一學院研究數學及科學的獎學金。在1926年及1927年他分別被三一學院授予學士和碩士學位。在大學期間這些年,沃爾頓因為卓越的物理和數學獲得了七個獎項。接著他在劍橋大學的卡文迪西實驗室拉塞福主任做研究,1931年拿到博士學位。


     
    Ernest_Walton
    歐尼斯特·沃爾頓(圖片:Nobel Prize)


    考克饒夫與沃爾頓兩人可以說是在對的時機,跟著對的人做了適當的研究。早在1919年,他們的老師,拉塞福,就成功地利用鐳原子發射的α粒子去撞擊氮原子,得到了氧-17和質子。但是為了進一步探索原子核的結構,他需要產生具有足以克服原子核電荷的高速的粒子。因為自然衰變的粒子能量是取決於衰變原子核的特性,無法調整的。拉塞福將這個任務交給考克饒夫和沃爾頓。他們首先製造了直線高壓加速器。拉塞福的另一位學生,馬克·奧利芬特(Mark Oliphant)為他們設計了一個質子源。當考克饒夫閱讀了George Gamow關於量子穿隧效應的論文時,他意識到,利用這種現象,可以用比最初想到的低得多的電壓來實現所需的效果。他計算得出,能量僅為300,000電子伏特的質子就足以穿透硼原子核。考克饒夫和沃爾頓在接下來的兩年中致力於建造他們的加速器。拉塞福從劍橋大學獲得了£1,000英鎊的贈款,用於他們購買所需的變壓器和其他設備。


    考克饒夫和沃爾頓於1932年3月開始使用他們的加速器,用高能質子轟擊鋰和鈹。 他們原先期望看到法國科學家所宣稱的伽馬射線,但沒有發現。但其實早在 1932年2月,他們的學長詹姆斯·查德威克(James Chadwick)已經證明了法國團隊觀察到的實際上是中子。考克饒夫和沃爾頓得知這個結果後,他們轉而在撞擊產物中尋找阿爾法粒子。 1932年4月14日,沃爾頓試著用這個加速器加質子加速後轟炸鋰靶,他注意到出現了可能是阿爾法粒子的產物。考克饒夫和拉塞福被叫去確認。那天晚上,考克饒夫和沃爾頓在拉塞福的家一起寫了一封給《自然》的短文,他們在文中宣布了原子核的第一次人工分解:

     
    7Li+p→2 4He+17.2 MeV

    他們接著將質子,氘核和α粒子加速後去撞擊碳,氮和氧,產生了放射性同位素,包括碳11和氮13。這開啟了一扇研究原子核結構的大門。


    考克饒夫和沃爾頓非常了解他們的直線加速器的局限性。歐內斯特·勞倫斯(Ernest Lawrence)在美國開發了一種更好的設計,他稱之為迴旋加速器。考克饒夫敦促拉塞福為卡文迪許實驗室買一台迴旋加速器。可惜拉塞福對迴旋加速器不屑一顧,但奧斯丁勳爵提供的25萬英鎊讓卡文迪西實驗室得以建造依勞倫斯設計的36英寸(910毫米)迴旋加速器,並配備新廠房來容納它。考克饒夫監督這項工作。迴旋加速器於1938年10月投入運行,新廠房於1940年完成。奧利潘特認為迴旋加速器不夠大,於是在伯明翰大學開始建造更大的60英寸迴旋加速器。 可惜因為1939年第二次歐洲大戰爆發,當它在戰後蓋好時已經過時了。


    第二次世界大戰爆發後,考克饒夫藉著才幹開始活躍於政府與軍隊之間。一開始他從事雷達相關工作,接著他參予了英國的原子彈計畫,成為MAUD委員會的成員,該委員會於1940年6月在英國進行了開創性的早期原子彈研究。1940年8月,考克饒夫前往美國。由於英國開發了許多新技術,但缺乏充分利用它們的工業能力,因此決定與美國分享這些技術,考克饒夫就是這個Tizard 任務中的重要成員。1940年12月他返回英國後被任命為英國防空研究發展機構(ADRDE)的首席總監。他的工作重點是使用雷達來贏得空戰。

    1943年11月,考克饒夫在訪問美國時,與梅爾·圖夫(Merle Tuve)討論了將美國近炸引信(Proximity fuze)引入英國使用。結果,在1944年1月16日訂購了15萬枚QF 3.7英寸AA炸彈引信。這些引信及時趕到,並於1944年8月與納粹V-1飛行炸彈交火時,擊落了97%的飛彈。為此他於1944年6月被授予CBE(Commander of the Order of the British Empire)的勳位 。戰後考克饒夫被任命為原子能研究機構(AERE)的負責人,為英國的核武研發掌舵。1959年考克饒夫回歸學界,成為劍橋大學邱吉爾學院的第一任院長。1967年9月18日,考克饒夫在家中因心臟病過世,享年七十。


    至於沃爾頓,相形之下,則是過著平穩的日子。他在1934年回到愛爾蘭,成為都柏林三一學院的物理系研究員。1946年,他被任命為教授。沃爾頓是傑出的講者,能以易於理解的方式解釋複雜的問題。1995年6月25日,他在貝爾法斯特過世,享年91歲。
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