歷史 物理

劈開原子核的戰爭英雄:考克饒夫爵士

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-05-19
點閱次數:302

  • 原子源自古希臘文atomon,這個字是támnō(切割)加上一個表達否定的字根a-所形成,意義是無法再分割的物體。十九世紀時,化學家道爾頓(John Dalton, 1766-1844)在他1808年發表的《化學哲學的新體系》中提出了他的化學理論,他主張所有的化學元素都是由一種非常小的粒子組成,這些粒子再進一步的分割,所以也無法改變,無法生成,也無法消滅。道爾頓把這個假設的粒子取名為atom。原子源自古希臘文atomon,這個字是támnō(切割)加上一個表達否定的字根a-所形成,意義是無法再分割的物體。

    但是隨著電子,原子核的發現,原子還是被”切割了。但是原子核能不能被切割呢? 如果能夠切割原子核,那等於可以將A原子的原子核變成B原子的原子核,那豈不是達成了自古以來鍊金術士點石成金的夢想?約翰·道格拉斯·考克饒夫爵士(Sir John Douglas Cockcroft)正是達成這個夢想的科學家!他不僅完成了史上第一次分裂原子的實驗,在兩次大戰中,更是挺身而出,為拯救英國而竭盡所能,說他是戰爭英雄,絲毫不誇張。不信的話,請您接著讀下去,保證您會同意阿文的評價。


    約翰·道格拉斯·考克饒夫爵士(Sir John Douglas Cockcroft,1897-1967),1897年5月27日出生於英格蘭約克郡的Todmorden,他是一家磨粉廠老闆的長子。底下有四個弟弟。 他並不是上所謂的”公學”出身。(英國的公學 Public school是貴族學校,入讀這種學校的基本條件並不是學費,而是家庭背景。校方會先衡量申請者的家庭是否合乎學校的校風,即指該家庭是否屬於中產或貴族,才決定招收這位學生與否。現時公學在英國成為了菁英教育,在整個英國教育制度佔有重要的地位。) 由於他的物理與數學老師非常傑出,考克饒夫對物理數學產生了濃厚的興趣,特別是他讀了J . A. Crowther 的書,對湯木生與拉塞福的工作非常嚮往。1914年,他獲得了約克郡西區郡市長獎學金進入曼徹斯特維多利亞大學,攻讀數學。不幸的是,第一次世界大戰於1914年8月爆發。考克饒夫於1915年6月在曼徹斯特大學完成了他的第一年學業之後志願入伍。1916年3月29日,他加入了皇家野戰砲兵第59訓練旅,並在那裡接受了通信兵的訓練。 之後,他被派往西部戰線第20(輕型)師之一的第92野戰砲兵旅B營。在西線戰役中參與戰鬥。考克饒夫參加了突破興登堡防線的軍事行動和第三次伊普爾戰役(Third Battle of Ypres)。 1918年2月被派往布萊頓學習槍砲知識,並於1918年4月被派往北安普敦郡Weedon Bec的軍官候選學校,在那裡受野戰砲兵訓。 1918年10月17日,被任命為皇家野戰砲兵少尉。過了一個月,一戰就結束了。

     
    截圖 2021-05-19 下午11.32.12

    圖片來源:維基百科


    戰後,考克饒夫於1919年1月從陸軍退伍。他沒有回去曼徹斯特維多利亞大學完成學業,而是到曼徹斯特市政技術學院學習電氣工程。 由於他已經在曼徹斯特維多利亞大學完成了一年的課程,因此被允許跳過課程的第一年。 1920年6月獲得理學學士學位。在電氣工程教授Miles Walker勸說下他成為了大都會維克斯電力公司的見習生,還參加公司裡的研究團隊。考克饒夫拿到1851年展覽會獎學金,於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。沃克接著建議考克饒夫去申請自己的母校劍橋大學聖約翰學院, 結果他成功地獲得了30英鎊的獎學金和20英鎊的給經濟能力不佳的學生的助學金。大都會維克斯公司給了他50英鎊,但要在完成學業後歸還。沃克的一個姨媽幫他補足了316英鎊的學費。 由於他已經有他校的學位,所以他被允許抵免第一年的課程。 1924年6月參加了畢業考試,並獲得了B *的wrangler,獲得了學士學位。拉塞福在Miles Walker和大都會維克斯公司的研究總監的推薦下,接受他成為卡文迪許實驗室的研究生。同時獲得了聖約翰學院的基礎獎學金和國家獎學金。他終於如願以償,成為拉塞福的學生了。


    在拉塞福的指導下,他寫了博士論文“關於表面上分子流的凝結中發生的現象” ,該論文發表在《皇家學會學報》上。1925年9月6日獲得博士學位。畢業之後,成為物理學家彼得·卡皮察(Peter Kapitza)的助手,彼得·卡皮察在極低溫下從事磁場物理學的研究。 考克饒夫幫忙設計和建造了氦液化器。就在這段時間,考克饒夫與伊麗莎白·克拉伯特里(Elizabeth Crabtree)結婚,他們有六個孩子。正所謂洞房花燭夜,金榜題名時。兩人極為恩愛,育有六個孩子,長子名叫提摩太的男孩,但不幸於兩歲時夭折。隨後,他們有四個女兒,瓊·多蘿西婭(Thea)、喬斯琳、伊麗莎白·菲爾登和凱瑟琳·海倫娜。另一個兒子Christopher Hugh John 後來則成為工程師。


    二零年代的卡文狄許實驗室無疑是當時原子核物理的麥加,而默罕穆德的先知角色當然非阿塞福莫屬了!1919年,拉塞福成功地用鐳衰變產生的ɑ粒子去撞氮原子核,結果得到氧原子核與一個氫原子核,也就是質子。
     
    該實驗暗示了原子核是由質子所組成的。為了進一步探索原子核的內部結構,也就是質子如何組成原子核,科學家需要新的手段來產高速度的粒子,因為只有動能夠大的粒子才能克服原子核正電荷產生的庫倫斥力來接近原子核,甚至將它撞裂。當時只能採天然放射源放出的ɑ粒子,能量都相對地低。這開啟了卡文迪希實驗室的新研究領域。拉塞福將這問題指定給考克饒夫,Thomas Allibone(1903-2003)和沃爾頓(Ernest Walton)來解決。考克饒夫在歐內斯特·沃爾頓和馬克·奧利馮特(Mark Oliphant)的幫助下,製造了一台後來被稱為考克饒夫–沃頓加速器的直線加速器。奧利馮特為他們設計了一個質子源。考克饒夫和沃頓就是利用它來進行原子核的第一次人工分裂。


    事實上一開始,考克饒夫他們認為當時的技術還無法產生足夠高能量的粒子達到拉塞福的要求,但是幸運之神降臨在他們身上。當考克饒夫在1928年11月在閱讀了加莫夫(George Gamow)關於量子穿隧效應的論文後,他意識到,科學家可以用比最初想到的低得多的電壓來實現所需的效果。 實際上,他計算得出,能量僅為300,000電子伏特的質子將能夠穿透硼核。拉塞福認可了考克饒夫的計算之後,考克饒夫和沃爾頓在接下來的兩年中致力於他們的加速器。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月開始使用其加速器加速質子去轟擊鋰和鈹。 他們期望看到約利奧-居禮團隊用阿爾法粒子撞擊鈹宣稱看到的伽馬射線,但是他們一無所獲。1932年2月,詹姆斯·查德威克(James Chadwick)證明了法國團隊宣稱的伽馬射線實際上是中子。既然如此,他們決定開始觀察碰撞後的產物是否出現阿爾法粒子,理由是質子如果將鋰給撞裂,最可能出現的產物就是阿爾法粒子,因為它是兩個質子與兩個中子所組成,因為對稱的緣故,束縛能特別大。兩個月後的1932年4月14日,沃爾頓用直線加速器加速過的質子轟炸了一個鋰靶,他發現螢光閃爍器的螢幕閃個不停,應該是ɑ粒子出現了。 他連忙通知了考克饒夫和拉塞福,兩人趕到後確認碰撞產物確實是阿爾法粒子。(拉塞福曾自豪地說,ɑ粒子出現時我總是認得出它來!)據說考克饒夫興奮地在實驗室外的大街上高喊:我們把原子撞裂了! ('We've split the atom! We've split the atom!,')不過這則故事恐怕不是真的,因為拉塞福嚴格地要求他倆保密,兩天後,考克饒夫和沃爾頓在拉塞福的家中見面,並寫了一篇投稿到《自然》的短文,宣布了他們的研究結果,這是原子核的第一次人工分解,可以這樣描述:

     
    這篇文章在四月三十日就刊登出來了!他們接著利用質子,氘核和α粒子分解碳,氮和氧。他們後來甚至產生了放射性同位素,包括碳11和氮13。他們還注意到反應前後的粒子質量並不守恆,他們利用E=mc2 估算發現阿爾法粒子的動能與反應損失的質量換算的能量相當,等於是驗證了E=mc2


    雖說卡文迪許實驗室拔得頭籌,考克饒夫和沃爾頓倒是非常了解直線加速器的局限性。當時歐內斯特·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。卡文迪許實驗室儘管在加速器性能方面不如勞倫斯的新發明,但是靠著物理洞見,依然保持領先,但是考克饒夫敦促拉塞福為卡文迪許實驗室添購迴旋加速器。拉塞福對這個計畫不屑一顧,所幸有奧斯丁勳爵提供的25萬英鎊使得卡文迪許實驗室能夠建造基於勞倫斯設計的36英寸(910毫米)迴旋加速器,並配備了新的機翼來容納它。考克饒夫監督這項工作。迴旋加速器於1938年10月投入運行,新機翼於1940年完成。奧利馮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。不幸 1939年第二次歐洲大戰爆發,推遲了它的建設,戰後完工時這個規模的加速器也已經過時了。


    這段時間考克饒夫還成聖約翰學院的Junior Bursar, 擔負不少行政與教學的工作,但是他的學園生活卻硬生生被戰爭給中斷了,而他在二戰時擔負起保家衛國的重責大任,絕對不輸在前線生死博鬥的戰鬥人員。其實早在1938年,亨利·蒂扎德爵士(Henry Tizard)向考克饒夫展示了英國皇家空軍(RAF)所建造的沿海預警雷達站環後,責成考克饒夫發展策略來使用它。考克饒夫負責招募了大批科學家參與了這項攸關生死成敗的任務。第二次世界大戰爆發時,考克饒夫前往擔任後勤部的科學研究助理主任,全心投入雷達的研發工作。隨著戰爭情勢的提高,他肩上的責任益發沉重。1940年,他成為科學研究與技術開發諮詢委員會的成員。該年4月,他成為空戰科學研究委員會的成員,該委員會的成立是為了處理弗里施·皮爾斯(Frisch-Peierls)備忘錄,這份備忘錄計算出原子彈在技術上是可行的。 該委員會由MAUD委員會接替,考克饒夫也是MAUD委員會的成員,關於這個委員會的故事,阿文在MAUD 物語:原子彈前傳曾經講過,就不在這裡重覆了。


    1940年8月,考克饒夫作為“Tizard Mission”的成員前往美國。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,儘管該國尚未處於戰爭狀態。Tizard Mission提供的訊息包含了戰爭期間取得的一些最偉大的科學進展。共享技術包括雷達技術,特別是由奧利馮特團隊在伯明翰(Birmingham)設計的大大改進過的腔磁控管,美國歷史學家詹姆斯·菲尼·巴克斯特(James Phinney Baxter III)將其描述為“有史以來最有價值的貨物”,鄰近引信 (proximity fuze),弗蘭克·惠特爾(Frank Whittle, 1907-1996)的噴氣發動機的細節以及描述原子彈可行性的弗里施·皮爾斯備忘錄以及許多其他物品,包括火箭,增壓器,瞄準鏡和潛艇探測裝置的設計。考克饒夫於1940年12月返回英國。當時在大西洋上航行十分危險,這一來一往可以說是在賭命。


    回到英國後不久,考克饒夫被任命為漢普郡克賴斯特徹奇的防空研究發展機構(ADRDE)的首席總監。他的任務是利用雷達來擊落敵機。英國的 GL Mk III雷達是作為目標跟踪和預測雷達而開發的,但到1942年,在美國出於相同目的而開發的SCR-584雷達問世,考克饒夫建議以租借法案的形式購買它。 在他的主動提議下,英國購買了SCR-584進行測試,1943年10月在謝珀島進行的試驗最終證明SCR-584更好。 這使考克饒夫在後勤部變得非常不受歡迎,但他知道德國人正計劃部署V-1飛行炸彈。 1944年1月1日,中將羅納德·威克斯爵士(Sir Ronald Weeks)向華盛頓發出了緊急要求,要求購買134架SCR-584雷達。除此之外,另一項向美國購買的是近程引信(proximity fuze)。這是由英國工程師艾倫·布丁(Alan Butement)率先提出的發明。基本構想是,如果一個砲彈在靠近敵機時會爆炸,那麼一次險擊幾乎與直接擊中一樣有效。技術問題是把雷達裝置做成可以從砲管發射的小型裝置。不但尺寸要小,而且要夠堅固,承受得起發射時的衝力還能發揮效用。當時德國人已經達到了第二個要求,應該英軍打撈到一顆德國未爆彈有閥門設計足以承受這股衝力,既然敵人有了進展,這方面的研究形同燃眉之急。Tizard Mission雖然曾將計劃資料提供給美國,但在英國,研發工作仍在繼續,1942年2月,在查爾斯·德拉蒙德·埃利斯 (Charles Drummond Ellis)的領導下,工作進行得很順利,但是1943年時,離大量生產的時程還差了兩年。所以考克饒夫在1943年11月訪問美國時,與美國科學家梅爾·圖夫(Merle Tuve)討論了將美國近炸引信改編為英國使用的可能。結果,在1944年英國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V-1飛行炸彈交火,擊落了97%。由於這項功勳,他於1944年6月被授予司令勳章( Commander of the Order of the British Empire )的爵位。由此可以看出考克饒夫沉著冷靜的判斷力與優秀的行政能力。這讓他在戰後繼續背負了重責大任。


    1943年8月,《魁北克協定》將英國管合金計畫納入曼哈頓計畫之下,並成立了聯合政策委員會來控制曼哈頓計畫。1944年5月20日英美制定了最終協議。在該協議下,美國將協助英國在加拿大建造一座由重水調節的核反應堆,並將為諸如腐蝕和輻射對材料的影響等問題提供技術援助。但是他們不提供有關鈽的化學或冶金學的詳細資訊。蒙特婁實驗室的負責人來自法國的漢斯·馮·哈爾班(Hans von Halban)是個麻煩人物,他管理不善,不能與加拿大人很好地合作,被美國方面視為安全隱憂。特別他與以前的老闆約里奧-居里 私下接觸,引發美國的猜疑。1944年4月,在華盛頓舉行的聯合政策委員會會議同意,不是英國臣民的蒙特利爾實驗室科學家都被要求離開,而考克饒夫在1944年5月成為蒙特利爾實驗室的新主任。1944年8月24日,在繼續進行全尺寸NRX反應堆之前,決定建造一個小型反應堆,以測試蒙特婁實驗室有關晶格尺寸,護套材料和控制棒的計算。它被稱為零能量實驗堆ZEEP。在蒙特婁市區建造反應堆是不可能的。加拿大人選擇並經格羅夫斯批准,選址在渥太華西北約110英里(180公里)的渥太華河南岸安大略省查克河上。查克河實驗室於1944年開放,蒙特婁實驗室於1946年7月關閉。ZEEP在1945年9月5日變得至關重要,成為美國以外的第一座運行中的核反應堆。隨後,更大的NRX於1947年7月21日開始運轉。它的中子通量是其他任何反應堆的五倍,是世界上最強大的研究堆。最初設計於1944年7月,輸出功率為8 MW,通過設計更改將功率提高到10 MW,例如用不銹鋼製成的包覆鈾棒,並用水冷卻的鋁包覆棒代替重水冷卻。


    1945年4月,考克饒夫和奧利馮特在英國皇家空軍哈威爾(RAF Harwell)選定了一個地點,打算在英國建立了一個類似蒙特婁實驗室的機構。1945年11月9日,考克饒夫被任命為哈維爾(Harwell)原子能研究機構(AERE)的負責人。正式公告於1946年1月29日發布,但該消息在公告宣布的兩個月前以及在加拿大政府被告知之前就被洩露了。加拿大與英國談判,後來雙方同意,直到找到繼任者,考克饒夫才能離開加拿大,所以直到1946年9月30日,考克饒夫才得以離開查克河前往哈威爾。與此同時,他又招募了新實驗室的工作人員。來自曼哈頓計畫阿拉莫斯實驗室的克勞斯·福克斯(Klaus Fuchs)成為理論物理負責人。 考克饒夫的副手,Robert Spence成為化學主管。 H.W.B.斯金納,負責物理部門;核物理學由Otto Frisch負責;約翰·鄧沃思 John Dunworth 則是負責反應堆物理學 。福克斯後來於被發現是蘇聯間諜而在1950年2月3日被捕。這其實已經不是第一次了。1945年9月10日,考克饒夫得知在查克河實驗室工作的英國物理學家艾倫·納恩·梅(Allan Nunn May, 1911-2003是蘇聯間諜,感到震驚。 1947年8月,考克饒夫是簽署請願書的科學家之一,希望納恩·梅能得到減刑,後來考克饒夫對簽暑這項陳情表示後悔。倒是納恩·梅至死都不後悔為蘇聯刺探軍情。


    考克饒夫成為哈威爾(Harwell)原子能研究機構(AERE)的負責人後,低功率,石墨慢化的GLEEP於1947年8月15日投入使用,成為西歐運營的第一座核反應堆。 隨後是1948年的BEPO。Harwell參與了Windscale的反應器和化學分離裝置的設計。 在他的指導下,它參與了前沿核融合研究,喬治·佩吉特·湯姆森爵士(Sir George Paget Thomson)爵士於1946年在倫敦帝國學院也開始了核融合研究。該研究隨後在Allibone的指導下轉移到了位於阿德瑪斯頓(Aldermaston)的電氣工業聯合實驗室。 獨立研究始於彼得·託內曼(Peter Thonemann)領導的牛津大學。 1951年,考克饒夫安排將牛津集團轉移到哈威爾。考克饒夫批准了Thonemann的Harwell小組建造的ZETA(零能量熱核組件),以及Allibone的AEI小組建造的較小的Scepter。 同一時期,詹姆斯·塔克(James L. Tuck)在洛斯阿拉莫斯實驗室(Los Alamos Laboratory)的研究小組也在研究核融合,考克饒夫與美國方面達成協議,打算將他們的研究結果一起發布,他還預計這項工作在1958年就能達成。事實上這個計畫到目前仍然遙遙無期呢。這是少數考克饒夫罕見的判斷失誤。


    作為AERE的負責人,考克饒夫堅持要在Windscale production生產反應堆的煙囪煙囪上安裝高性能過濾器,而這筆安裝費用很高。安裝理由是鑑於田納西州橡樹嶺X-10石墨反應堆附近發現鈾氧化物的報導。反應堆設計為在使用過程中保持清潔且不受腐蝕。因此,認為沒有任何顆粒物可供過濾器捕獲,況且橡樹嶺的氧化鈾其實是由化工廠產出的,而不是反應堆生產出來的。因此,這些過濾器當時被戲稱為考克饒夫的愚行,不過當兩個反應堆之一的核心在1957年的大火中著火時,這些過濾器阻止了放射性物質的放洩。1960年代國防部的科學顧問特倫斯·普萊斯(Terence Price)就指出:“在事故發生後,愚行這個詞似乎不再適合了”。


    除了與沃爾頓一起獲得休斯獎章和1951年諾貝爾物理學獎外,考克饒夫多年來還獲得了許多獎項和榮譽。但是對一個老劍橋人而言,成為學院的院長(master)才是一生最值得自豪的事跡。1959年1月24日,劍橋的邱吉爾學院被劍橋大學正式承認。 兩天之後,受託人宣布考克饒夫將成為第一任院長。 考克饒夫提名了第一批研究人員,並負責監督了營建工程。但是出師不利,1961年計劃按照劍橋的傳統在大學門口建造禮拜堂時就導致堅定的無神論者,發現DNA的弗朗西斯·克里克(Francis Crick)立即辭職。 第一批大學生於1961年到達,但是1964年6月5日由愛丁堡公爵菲利普親王才算正式開設。三年後,1967年9月18日,考克饒夫在劍橋邱吉爾學院的家中因心臟病過世。他被安葬在劍橋升天墓地的教區中,與兒子提摩太同葬。享年七十。比起他的老朋友奧利馮特,考克饒夫的人生似乎相對平淡許多,但是論起對科學,對祖國的貢獻,應該算是不分軒輊吧!


    參考資料:
    (一)中文 英文 維基相關條目
    (二)John Douglas Cockcroft by Mark Oliphant
    (三)http://www.cambridgephysics.org/cockcroftwalton/cockcroftwalton1_1.htm
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