1.如何制造回旋加速器

大約40年前（1919年），羅得福特發(fā)現(xiàn)用鐳釋放的阿爾法射線去沖擊氮，可以將氮轉(zhuǎn)變成氧。所謂阿爾法射線，實際上就是高速的氦原子核。從此，為了研究原子核，科學(xué)家們開始尋找方法使類似原子的粒子以極高的速度運動起來。

1920年建成了第一座粒子加速裝置，當時它只是一個可提高電壓及提高真空度的普通放電管，主要是由一個簡單的真空管構(gòu)成的。這個真空管帶有兩個電極，一個電極帶正電位，另一個電極帶負電位。兩電極間的電位差大概有100萬電子伏特。

在正電極這一端造出帶著正電荷的阿爾法粒子，粒子受到負電極的吸引，向負電極運動，在運動過程中粒子像下坡一樣不斷增加運動能量，最后直接跟負電極的原子相撞，產(chǎn)生原子核反應(yīng)，撞擊放出來的射線則從負電極射了出去。

不久，人們便發(fā)現(xiàn)這種加速器只能把粒子能量加速到100萬～200萬電子伏特。要將粒子能量加速到數(shù)千萬甚至數(shù)億電子伏特，仍需要再想辦法。

回旋加速器的原理

每個孩子都知道，有兩種方法可以把秋千升高，一種是一鼓作氣，另一種是每搖動一次用一點力，慢慢升高。前面提到的高電壓加速裝置就如同第一種方法。

1929年，采用以上所說的第二種方法發(fā)明了回旋加速器：使粒子在圓圈里面飛動，每當回到起始位置時就從后面施加推力，使其漸漸加速。倫敦科學(xué)博物館的Ward博士制作了一個回旋加速器模型，利用這個模型可以很巧妙地說明此加速器的作用。下面照片中所示的是回旋加速器模型的復(fù)制品。

說明回旋加速器的機器模型

兩個口交相上上下下，使球不斷地下坡

回旋加速器的真空管里面有兩個半圓形的電極，稱之為“D”。這兩個電極的電位會在正、負之間互相變換，就是說電位會時高時低。在模型上用兩個半圓板的上下移動來表示電位的高低（當然真的電極不會這樣上下移動），用鐵球代表粒子，利用重力代替電位差使鐵球加速。加速后的鐵球在模型的螺旋形溝內(nèi)轉(zhuǎn)動，代替粒子在回旋加速器內(nèi)受到強力磁場的作用，在不接觸內(nèi)壁的前提下繞著螺旋軌道飛馳。

加速器中心造出的粒子，從一個“D”飛出到達另一個“D”之后，加速就開始。鐵球順著溝紋畫成半圓后移到另一個半圓板。同時兩個半圓板會變換上下關(guān)系，但是鐵球仍然不斷加快速度做下坡運動。如此，兩個半圓板（D）會不斷地互相變換高低，致使鐵球在任何時候都處于下坡狀態(tài)。

粒子每通過一次兩個“D”，都會增加自身的運動能量，從而慢慢向外側(cè)移動，最后在最外側(cè)沖上靶心。靶心就是我們所要研究的，產(chǎn)生原子核反應(yīng)的地方。兩個“D”之間的電位差是由高周波電壓產(chǎn)生的，在振動著的電場中它會配合粒子運動的速度而變換自己的方向。粒子在沖上靶心之前，要通過兩個“D”好幾百次，因此最后得到的能量相當于一次最大加速電壓的數(shù)百倍。

回旋加速器的發(fā)展

這張照片上顯示的是1930年的回旋加速器，這是試造的第一個回旋加速器。它沒有裝磁鐵，性能也沒有多好，但總算是可以操作，因此我們把它留作紀念。在這個回旋加速器上，兩個電極被蠟粘在一起，并把它們放在一塊磁鐵的中間。第二個模型跟第一個尺寸相當，8英寸，性能還不錯，被使用了很久。

1930年的第一個回旋加速器

接下來造成的就是11英寸的機器，它產(chǎn)生的電壓可以達到100萬伏特。我們用它實地做過原子核的實驗。事實上，研究者們正是使用這個11英寸回旋加速器首次實現(xiàn)了原子核衰變。

11英寸回旋加速器

后來又陸續(xù)出現(xiàn)了27英寸和37英寸的回旋加速器。前者產(chǎn)生的電壓位于400萬～500萬伏特之間。在它的幫助下，我們合成了許多新的放射性同位素。

之后，60英寸的回旋加速器誕生了，它可以造出5000萬電子伏特的阿爾法粒子，直到今天我們還在使用它。

再后造成的是184英寸的同步回旋加速器。1957年經(jīng)改造后，現(xiàn)在可以造出7.2億電子伏特的粒子。今天借助這個重達4000噸的機器從事大量研究，今后也會不斷地繼續(xù)下去。

射線研究所里還有更大的加速器———質(zhì)子加速器，它與回旋加速器有著許多共同的特征。質(zhì)子加速器的發(fā)明者是Macmillan。它的名字“Bevatron”中的bev取自10億電子伏特英文的第一個字母（billion electron volt）。這個裝置可以將粒子能量加速到62億電子伏特。

由上往下依次是：27英寸回旋

加速器（站在旁邊的是勞倫斯）、60英寸回旋加速器、180英寸回旋加速器

質(zhì)子加速器是在一座巨大的圓形建筑物里面建成的。粒子在一個直徑為30米的磁鐵中回轉(zhuǎn)，與25年前建成的8英寸回旋加速器相比，其進步實在驚人。

我們不知道還會進步到什么程度。目前在美國的Brook Heaven、Long Island、瑞士的Geneve正在建造更大的加速裝置。我相信，1000億電子伏特的加速器在將來一定可以造出來。

元素的合成

如此，回旋加速器成了制造人工合成元素及發(fā)現(xiàn)新元素的基本工具。其實在1925年，人們發(fā)現(xiàn)了第88種天然元素的時候，科學(xué)家們就開始人工制造元素了。

天然元素中鈾的重量最大，原子序數(shù)為92。1925年，元素周期表上還留有4個空位，表示還有4種元素沒有被發(fā)現(xiàn)。它們就是“锝（Tc）”“钷（Pm）”“砹（At）”“鈁（Fr）”，原子序數(shù)分別為43、61、85及87。其中幾種曾被誤傳于1937年之前已被發(fā)現(xiàn)，不過這種說法不久就被訂正了。

質(zhì)子加速器

這4種元素在大約50億年前地球剛誕生時就已經(jīng)存在了，但在今天，我們已經(jīng)無法在地球上找到了。這是因為它們的原子核非常不穩(wěn)定，在漫長的歲月中不斷放出射線而衰變，最終完全消失，變成更輕、更穩(wěn)定的其他種元素。當然，在今天，我們還可以通過人工方法把這些元素造出來?，F(xiàn)在，如果我們要說明元素的不穩(wěn)定性、放射能及元素的變換等問題，就必須研究原子核的構(gòu)造。

一般我們用圓圈圍加號“8”代表質(zhì)子，圓圈里的加號表示一單位的正電荷。前面說過，普通的氫原子只有一個質(zhì)子。給氫原子加一個不帶電荷的中子，就變成了重氫，是氫的同位素。如果再給重氫加一個中子和質(zhì)子，就成了氦的原子核。如果再給氦的原子核加一個質(zhì)子和中子，就成為鋰的原子核。這樣逐個增加中子和質(zhì)子的數(shù)目，就會不斷生成更重的元素的原子核。

以銀為例，它的一種同位素的原子核內(nèi)含有47個質(zhì)子和60個中子，其質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的總和是107，所以重量（原子量）也是107。用記號表示銀的原子核，就需要在其化學(xué)代號左下方寫上47，即原子序數(shù)，也就是原子核里的質(zhì)子數(shù)，在右上方寫上107，也就是原子量，整個記號為₄₇Ag¹⁰⁷。

銀的原子核受到中子的撞擊，就會吞下一個中子而增加1單位的原子量，成為₄₇Ag¹⁰⁸，是銀的同位素。

這種同位素比銀稍重一點，具有放射能。所以原子核中的一個中子會獲得一單位的正電荷而變成質(zhì)子，與此同時，還會放出一個帶負電荷的電子。

質(zhì)子數(shù)增加1，原子序數(shù)變?yōu)?8，從而由銀變成了鎘（Cd）。以中子（Neutron）的第一個字母n表示中子，以電子（Electron）的第一個字母e表示電子，可以將銀受到中子的撞擊而變?yōu)殒k的過程表示為：

做這個實驗并不困難。在一個裝有鐳和鈹?shù)男湔湓悠茐难b置中放入銀幣，銀會受到中子的撞擊。如上所述，銀原子吞下一個中子自動變?yōu)殒k原子，與此同時，產(chǎn)生了一定程度的放射能，這種能量可以使蓋氏計數(shù)器發(fā)出聲音。類似情況在原子核受到某種粒子的撞擊時都會發(fā)生，只是原子的一少部分會變換而已。

空白的四元素

1925年的元素周期表上還留有4個空位，它們分別是“锝（Tc）”“钷（Pm）”“砹（At）”和“鈁（Fr）”。其中“锝（Tc）”“钷（Pm）”“砹（At）”是人工合成的元素，與將銀變成鎘所用的方法相同。第四種的鈁（Fr）是在觀測錒自動放出阿爾法射線而衰變時發(fā)現(xiàn)的，這種現(xiàn)象非常罕見。

所謂“阿爾法衰變”，是指元素放出阿爾法射線而轉(zhuǎn)變成其他元素，它是放射能的一種形態(tài)。在這個過程中，元素會失去一個阿爾法粒子。阿爾法粒子就是氦的原子核，由兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成。

錒，原子序數(shù)89，質(zhì)量數(shù)227，也屬于放射性元素。一次偶然的機會，巴黎居里研究所的培莉小姐發(fā)現(xiàn)了錒放出阿爾法射線而衰變的現(xiàn)象，這是非常罕見的。在這個現(xiàn)象中，錒放出一個阿爾法粒子，從而失去了兩個質(zhì)子而變成原子序數(shù)為87的元素，培莉小姐用自己國家的名字為其命名，叫做“鈁（Fr）”。

這個反應(yīng)可以寫成：

后者能夠更清楚地表示錒放出阿爾法粒子的情形。

用語言來描述這一過程就是，錒的質(zhì)子數(shù)是89，原子量是227，失去兩個質(zhì)子，4個質(zhì)量而變成質(zhì)子數(shù)為87、原子量為223的鈁。鈁的數(shù)量很少，壽命很短，只有當放射性元素衰變的時候才會存在于自然界中，壽命最長的鈁的同位素，其半衰期也只有21分鐘。所謂“半衰期”，就是放射性同位素的半數(shù)原子完成放射性衰變所需的時間。

其他三種，即锝、钷、砹，都可在回旋加速器或原子爐中用合成變換的方法人工制造出來。

合成元素的認識

制造元素并不太困難，但在造出元素之后還要確認它是否是新元素，是困難的事情。原子序數(shù)分別為43、61、85、87的四種元素，都是在將其自非常微量的標本中分離、濃縮后才被確認為新元素的。

Emirio Segre

以鐳為例，假定它的量非常微小，無法稱量，連看也看不到，那么確認其存在的方法只有兩種：第一，靠檢出放射能確認其存在；第二，利用元素周期表上位于鐳上方的鋇或鍶等近親元素，從它們的溶液中抽出微量的鐳，從而確認其存在。即將一些近親元素混合在溶液中，用普通的分析方法去分離那些元素，那么微量的鐳也會被一起抽出來。研究者們就是采用了這種方法，實現(xiàn)了對锝、钷、砹、鈁這四種元素的確認。

锝是第一個被合成且確認的元素，它的發(fā)現(xiàn)者是Segre及他的同事培里伊。Segre是加州大學(xué)的物理學(xué)教授，于1959年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

我們請Segre博士談一談他的發(fā)現(xiàn)吧。