歐內斯特·勞倫斯(美國物理學(xué)家,設計和制造第一臺高能粒子回旋加速器)
歐內斯特·勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence,1901年8月8日~1958年8月27日),美國著(zhù)名物理學(xué)家、1939年諾貝爾物理學(xué)獎得主?,加利福尼亞大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授?。
1932年設計和制造第一臺高能粒子回旋加速器,并獲得1939年度諾貝爾物理學(xué)獎?。參與曼哈頓計劃,主管用電磁法分離制造原子彈用的鈾-235工作。此外還發(fā)明了彩色顯像管并獲專(zhuān)利。
由于勞倫斯的卓越貢獻,化學(xué)元素周期表中第103號元素鐒(Lawrencium)、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(Lawrence Berkeley National Lab)和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室(Lawrence Livermore National Lab)的兩所美國國家實(shí)驗室都是為紀念勞倫斯而命名的。
人物生平
1901年8月8日,歐內斯特·勞倫斯出生在南達科他州的坎頓。他的祖父是一位來(lái)自挪威的教師。在挪威的特勒馬克市,勞倫斯家族以“腦瓜特靈”而知名。勞倫斯的父親卡爾在美國完成了大學(xué)教育,他的母親岡達也是挪威移民,出生于一個(gè)有藝術(shù)傳統的世家。南達科他州是一個(gè)遼闊的大草原。勞倫斯在當地上小學(xué)。這時(shí),他就喜歡搗弄電氣、礦石收音機,并自制電報機。中學(xué)時(shí),他是一個(gè)無(wú)線(xiàn)電迷,熱衷于無(wú)線(xiàn)通信和電路實(shí)驗。
1918年,勞倫斯進(jìn)入圣奧拉夫學(xué)院。第一次世界大戰對美國高校的平靜生活產(chǎn)生了影響,勞倫斯不屬于那種特別優(yōu)秀的學(xué)生。大二時(shí),他數學(xué)、化學(xué)、英語(yǔ)等課只得C,宗教是D。圣奧拉夫學(xué)院的挫折使勞倫斯轉入佛梅林的南達科他大學(xué)。在大學(xué)他動(dòng)員校長(cháng)投資無(wú)線(xiàn)電設備,自己則做實(shí)驗激發(fā)同學(xué)的興趣。后來(lái),勞倫斯轉學(xué)物理,成績(jì)優(yōu)異。
他又轉入了明尼蘇達大學(xué)讀研究生,導師是斯旺教授。在斯旺的指導下,勞倫斯打好了電動(dòng)力學(xué)和磁學(xué)的堅實(shí)基礎,這是他未來(lái)取得偉大成功的根基。
勞倫斯要制作一個(gè)在磁場(chǎng)中轉動(dòng)的橢圓體,并用此實(shí)驗寫(xiě)論文。由于他從小做收音機、修汽車(chē),所以能克服制作過(guò)程中的許多困難。該裝置十分成功。接著(zhù),勞倫斯又在斯旺指導下研究獲得高能粒子的裝置。
由于家境不富裕,勞倫斯曾嘗試賣(mài)鋁制品和收音機賺錢(qián),但收益不大。
后來(lái),勞倫斯進(jìn)入芝加哥大學(xué)的賴(lài)森物理實(shí)驗室工作。在那里,他結識了猶太物理學(xué)家雅各布森,獲益良多。勞倫斯勤奮工作,成績(jì)顯著(zhù),在美國物理學(xué)界已經(jīng)小有名氣。許多名牌大學(xué)都邀請他任教,條件十分優(yōu)厚。勞倫斯在耶魯大學(xué)渡過(guò)一段美好的時(shí)光。
加利福尼亞大學(xué)伯克利分校給了他十分有利的教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗設備。
1928年,勞倫斯到西海岸開(kāi)始新的工作和生活。在加州大學(xué),他的工作激情感染了大學(xué)生們和同行,一位同事回憶說(shuō):“他給人的印象是從手指到全身都充滿(mǎn)了活力,無(wú)論走到哪里,這氣氛就帶到哪里?!?/p>
1929年,勞倫斯從一篇文獻上讀到兩只電子管用同步的方法給鉀離子升壓的報道,受到了很大的啟發(fā)。他想,難道不能用排成一列的更多的電子管同步升壓,使帶電粒子獲得更高的電壓?jiǎn)幔?/p>
他非常激動(dòng),不斷計算,發(fā)現直列式升壓后部的電子管體積功率都十分巨大。如果能組成一個(gè)環(huán)形,讓帶電粒子在圓環(huán)的每個(gè)電子管中同步升壓,將能達到幾百萬(wàn)電子伏的高壓。如果再用電磁鐵把離子束縛在圓環(huán)里,那么,這個(gè)裝置將成為物理學(xué)中前所未有的利器,什么高能粒子的實(shí)驗都可以在它中間完成了。
勞倫斯興奮不已。這個(gè)裝置如此簡(jiǎn)單、有效、高能,為什么前人就沒(méi)有想到呢?當別人核實(shí)他的計算并問(wèn)這個(gè)裝置有什么用時(shí),他回答說(shuō):“我要用它來(lái)轟碎原子?!?/p>
1928年,物理學(xué)家喬治·伽莫夫提出,可以用質(zhì)子代替α粒子作為轟擊物來(lái)實(shí)現人工核反應。由氫原子電離而得到的質(zhì)子能量很小,需要通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)進(jìn)行加速,以保證作為“炮彈”的質(zhì)子獲得足夠高的能量。于是,各種類(lèi)型的粒子加速器逐步發(fā)展起來(lái)。
1929年,勞倫斯提出磁共振加速器(即回旋加速器)的構造原理,即利用一個(gè)均勻磁場(chǎng),使加速粒子沿螺旋形路徑運動(dòng)。在運動(dòng)平面內,粒子將越過(guò)一個(gè)加速間隙,間隙里有一外加射頻電場(chǎng),其變化頻率與離子旋轉頻率同相,以保證粒子每一次通過(guò)加速區時(shí)都能得到加速。
1931年,勞倫斯和他的學(xué)生埃德?tīng)柹∟.E.Edlefson)和利文斯頓(M.S.Livingston)建成了第一臺回旋加速器(直徑只有12厘米,可以拿在手里,加速粒子能量可達到0.8MeV)并開(kāi)始運行。后來(lái),在勞倫斯的領(lǐng)導下,在美國建成了一系列不同的回旋加速器。
主要成就
40年代初,這類(lèi)加速器的能量達到40MeV,遠遠超過(guò)了天然放射源的能量??梢杂糜诩铀儋|(zhì)子、α粒子和氖核,由此發(fā)現了許多新的核反應,產(chǎn)生了幾百種穩定的和放射性的同位素?;匦铀倨鲗肆炎兗昂肆Φ难芯科鹬?zhù)特別重要的作用。勞倫斯由于發(fā)明了回旋加速器以及借此取得的成果而于1939年獲得諾貝爾物理學(xué)獎?。曾參加原子彈研制工作,將加速器用作質(zhì)譜儀,從鈾-238中分離出鈾-235。還培養了大批杰出的科學(xué)人才。
人物評價(jià)
歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence,1901~1958)美國物理學(xué)家。耶魯大學(xué)物理學(xué)博士。一生從事加速器技術(shù)、核物理及其在生物學(xué)和醫學(xué)上應用方面的研究。
歐洲的許多猶太科學(xué)家為躲避納粹迫害,紛紛遷居美國。他們的貢獻為美國科學(xué)界增光添彩。世界上第一顆原子彈和氫彈的制造成功,有愛(ài)因斯坦、費米、西拉德、特勒等科學(xué)家相當大的貢獻。然而,美國本土也培育成長(cháng)了許多科學(xué)家,他們的成就與歐洲學(xué)者交相輝映。除了領(lǐng)導曼哈頓工程制造原子彈的奧本海默外,勞倫斯是其中最優(yōu)秀的一個(gè)。
后世紀念
由于勞倫斯的卓越貢獻,化學(xué)元素周期表中第103號元素鐒(Lawrencium)、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(Lawrence Berkeley National Lab)和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室(Lawrence Livermore National Lab)的兩所美國國家實(shí)驗室都是為紀念勞倫斯而命名的。
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