歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1939年  恩內斯特‧奧蘭多‧勞倫斯

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-02-18
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    1939年的諾貝爾獎頒給了美國的物理學家,恩內斯特‧奧蘭多‧勞倫斯 (Ernest Orlando Lawrence,1901-1958)。得獎的理由是「發明和發展迴旋加速器,並以此獲得有關人工放射性元素的研究成果」。什麼是迴旋加速器?它是一種通過高頻交流電壓來加速帶電粒子的儀器。利用帶電粒子轟擊原子靶是惟一獲得原子核資訊的方法,但因原子核帶有正電荷,它會排斥其他帶正電荷的粒子 (如α粒子)。想要瞭解原子核的結構,就需要將原子核撞開來。所以科學家需要產生帶有高能量,至少數百萬電子伏特量級的粒子束,才有辦法分解原子核。加速器發明之前,科學家只能仰賴天然的放射源,這使得原子核的研究受到很大的限制。而勞倫斯所發明的迴旋加速器能讓粒子束帶有天然放射源望塵莫及的高能量,自然打破了這個限制,使得原子核物理的進步一日千里。日後迴旋加速器更在基本粒子的研究扮演關鍵的角色,成為二十世紀最具威力的科學利器。

     

    Ernest_Lawrence
     

    恩內斯特‧奧蘭多‧勞倫斯  圖片來源 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1939/lawrence-bio.html

     

    發明迴旋加速器的勞倫斯出生於1901年8月8日美國南達科他州。雙親都是挪威移民的後代。他24歲時獲耶魯大學物理學博士學位。畢業後他留在耶魯,直到1928年,轉往加州大學加州大學柏克萊分校擔任物理學副教授。兩年後升為正教授。就在這段時間,他發明了讓他名留青史的迴旋加速器。

     

    勞倫斯的靈感是來自於挪威科學家羅爾夫‧韋德勒 (Rolf Widerøe) 的一篇文章,這篇文章主張將粒子重複地經由一個「相對小的電壓」來加速,而不是一次就用一個巨大電壓去做加速。勞倫斯明白如果蓋成直線形的話,對於他的實驗室而言,很快就變得太長而且笨拙。 為了讓加速器看起來更緊緻,勞倫斯決定在電磁鐵的磁極之間設置一個圓形的加速腔。當帶電粒子在兩個連接到交流電的半圓形電極之間加速時,磁場將使帶電粒子保持在螺旋狀的路徑中。大約一百轉之後,帶電粒子將以高能粒子束的形式撞擊目標。他最初與他的研究生Niels Edlefsen合作。第一個迴旋加速器直徑只有四英寸,可以用一隻手握住。接著他的新研究生利文斯頓 (M.S.Livingston) 蓋了11英寸迴旋加速器,在1931年1月2日11英寸迴旋加速器將粒子加速達到80,000電子伏特。這個11英寸迴旋加速器需要用到重達2噸的磁鐵,勞倫斯在帕洛阿爾託的一個垃圾場發現了一塊重達80噸的巨大磁鐵。它是在第一次世界大戰期間,為跨大西洋的無線電鏈路供電而製造的。靠著它,他在1932年初設計了27英寸迴旋加速器的設計。勞倫斯雖然擁有強大的加速器,但因為他太專注於儀器的開發而忽略了它的科學用途,結果痛失良機。1932年4月,英國卡文迪許實驗室的考克克羅夫特 (John Cockcroft) 沃爾頓 (Ernest Walton) 宣布,他們用質子轟擊了鋰,並成功地將其轉變為氦氣。所需的能量非常低-完全在11英寸迴旋加速器的能力之內。勞倫斯並沒有氣餒,繼續造出更大的加速器;1934年,他獲得了迴旋加速器的專利。1937年6月27英寸的迴旋加速器被37英寸的迴旋加速器所取代。1939年5月37英寸的迴旋加速器又被60英寸的迴旋加速器所取代。

     

    Cyclotron_patent
     

    Diagram of cyclotron operation from Lawrence's 1934 patent.圖片來源:By Ernest O. Lawrence - U.S. Patent 1,948,384, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=543976

     

     

     

    他在1930年代建立了世界上最重要的核物理研究新領域實驗室,就是今天的勞倫斯柏克萊國家實驗室。由於用於醫學目的的籌資要比用於核物理的籌資要容易得多,因此勞倫斯鼓勵將迴旋加速器用於醫學研究。他與在加州大學生理學系的弟弟約翰和以色列的柴科夫 (Lyon Chaikoff) 一起研究將放射性同位素用於治療目的。由於磷-32很容易在迴旋加速器中產生,約翰就用它來治癒了一名患有真性紅細胞增多症 (一種血液疾病) 的婦女。勞倫斯接著利用60英寸的迴旋加速器轟炸鐵並於6月生產了第一批放射性同位素。 1939年11月,第一位癌症患者從60英寸迴旋加速器接受了中子治療。約在同時,勞倫斯獲得了諾貝爾獎。由於第二次世界大戰已經在九月爆發,諾貝爾獎頒獎典禮在1940年2月29日改在加州柏克萊大學校園的惠勒大廳禮堂舉行。勞倫斯從瑞典駐舊金山總領事手上拿到了獎牌。
     

    得獎之後勞倫斯繼續使用他的加速器來探索原子核的相關物理。1940年12月,勞倫斯的助手西柏格 (Glenn T. Seaborg) 和塞格雷 (EmilioSegrè) 用嶄新的60英寸迴旋加速器以氘核轟擊鈾238,產生了新元素錼-238,然後藉由β衰變,形成了鈽-238。它的同位素鈽239成為製造原子彈的重要原料。太平洋戰爭爆發後,勞倫斯加入了曼哈頓計劃。他利用迴旋加速器的原理發明了電磁型同位素分離器 (Calutron),該儀器被廣泛利用於第二次世界大戰期間的"鈾濃縮",地點在田納西州的橡樹嶺 (橡樹嶺國家實驗室),這關係到曼哈頓計畫的成敗。勞倫斯終生以參與曼哈頓計畫為榮。 

    戰後,勞倫斯進行了廣泛的遊說活動,爭取政府資助大型科學計劃。他一直是“大科學”的擁護者。當他聽到1949年8月蘇聯的首次核試驗後深感震驚,他極力主張製造更強大的核武器:氫彈。所以勞倫斯大力支持愛德華‧泰勒 (Edward Teller) 爭取第二個核武器實驗室。利弗莫爾的新實驗室最後在1952年7月17日獲得批准。也因此他與好友歐本海默漸行漸遠。勞倫斯雖然因生病而拒絕出席以撤銷歐本海默的安全審查權而舉行的聽證會,但卻提出了批評歐本海默的書面資料。兩人多年友誼付諸流水。
     

    勞倫斯於1958年8月27日在帕洛阿爾托醫院去世。勞倫斯柏克萊國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室以及103號化學元素鐒之名稱都是紀念勞倫斯的貢獻。

     

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