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作者: jfsu (水精灵)
标题: Re: [问卦] 有没有 粒子加速器 的八卦啊??
时间: Mon Nov 2 21:21:00 2015
※ 引述《spadek89507 (Unlimited)》之铭言：
: 粒子加速器-利用电场来推动带电粒子使之获得高能量。
: 日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。
: 被加速的粒子置于抽真空的管中，才不会被空气中的分子所撞击而溃散。
: 在高能加速器里的粒子使用四极磁铁（quadrupole magnet）聚焦成束，
: 粒子才不会因为彼此间产生的排斥力而散开。
: 粒子加速器有两种基本型式，环形加速器和直线加速器。
: 有没有八卦啊??
在说到加速器时，我们不得不谈谈某位高人的事蹟。没有他的发明，别说是寻找
上帝粒子（“希格斯玻色子”（Higgs boson）），现在的一些放射医学可能都得晚个
几十年哩。
（司仪）
他低调，但是他才华洋溢，
他谦虚，但是受万人敬仰，
他实现了千百年来炼金术士的梦想，
点石成金！
他究竟是神仙的化身，还是地狱来的使者，
没有人知道，(神祕地摇摇头...)
劳伦斯‧欧内斯特‧奥兰多（Lawrence Ernest Orlando, 1901.08.08~1958.8.27），
美国物理学家。因发明了第一台高能粒子加速器：回旋加速器，获得1939年诺贝尔
物理学奖。
他出生于美国南达科塔州南部的坎顿(Canton)教师的家庭。小的时候因为太瘦而被戏称
为瘦皮猴。在他两岁时，因爱玩火柴差一点就变成志志雄真实。
中学时代，他和他最好的朋友梅尔塔夫（长大之后成为一个非常有成就的核物理学家）
自己动手架设了一台无线电发射台站，以NCC的眼光来看，他们搞了个违法的地下电台！
不过，这样子的一个经验，日后却让他用来加速质子。（在台湾，可能只能卖卖成药，
或是宣传一下‘位元堂’养阴丸～好似太阳咁温暖～）
劳伦斯聪慧博学，善于思考，也是个拥有快乐性格的人。除了对科学有浓厚兴趣外，
在其他活动中亦表现出非凡的才能。1916年，他进入南达科塔州州立大学作为医学预科
学生。课余时，他喜好操作无线电通讯。某天，他大胆地走入该校电气工程学院
迪恩‧路易士‧阿克利院长的办公室，并敲了下门。
“请进！”阿克利用着爽朗的声音说著。
“院长您好，我是劳伦斯‧欧内斯特‧奥兰多，医学院的学生。有件事想请你考虑一下”
看着眼前这位蓄著胡子又有礼貌的四眼仔，阿克利院长静静地听着劳伦斯的请求。
“你是说，你想建议学院购买一套无线电设备？”
“是的！一个电气工程学院的学生怎能不会操作无线电呢？而且如果有这套设备，就
可以知道全美的消息，而且，无线电将会在我们的生活扮演一个非常重要的角色！”
“但是，这样的一套设备要不少钱哩！”
“院长，掌握篮板球，就可以称霸球场！掌握无线电就可以称霸世界！”劳伦斯振臂
疾呼著。
“都老梗了，还一直用。”阿克利咕哝道。
“不会很贵！100元还有找！”劳伦斯从上衣口袋掏出一张清单，里头条列著项目设备，
金额多少，需要多少天可以完成…。
“这张清单是我搅尽脑汁辛苦拟好的‘刻骨铭心之无线电设备’话说，前几天我遇到
了儿时玩伴，他说：“电台无线美！”，脑海瞬间闪过这个念头，估算一下只要花
九十九点九九元就可以购买一整套的设备，连一百元都不到耶。而且随装还送耳麦
一个，若再加上九十九点九九元，就可以换到刻骨铭心的菊花型抱枕，听说这个抱枕
因为经过菊花加持，对于长期坐着操作无线电的屁屁有着妙不可言的功效！”
在劳伦斯回去之后，阿克利看着桌上的清单，再想想刚才眼前的小伙子，在自己任教的
岁月里，很少人能让他如此印象深刻。他叫来了助理，并调出了劳伦斯的入学资料。
隔天，劳伦斯再度出现在阿克利的办公室里头。
“你是不是很喜欢无线电呀？”
“当然！”
“那你毕业之后，是要推动无线电科学，还是立志要当个无线电电台播报员？”
“我只是想当个教育家。”
阿克利上下打量着他，心想，这家伙绝非池中物，若只当个老师就未免可惜了。这样
一个人才应该从事科学才对。
就在阿克利思索著同时，劳伦斯以为他正在考虑是否要买无线电设备。
“院长！请务必提拨这笔款项！”劳伦斯才说完，从裤子里掉出个班子。
“我本身是一个业余无线电爱好者，班子呢~是我拿来上螺丝用的。”
劳伦斯边说著将班子收入口袋。
下一秒，才弯腰要拣拾的时候，匡啷一声，地板上竟躺着一根铁锤。
“诚如我说的，为了组装无线电设备，身上带着铁锤也是件合理的事。”
阿克利一抹额头上冒出的汗：“你放心，这…这…笔款项我会尽快拨下来给你。”
“谢谢院长！”劳伦斯开心地答道，随后他拍拍腰际挂著班子与铁锤喃喃自语：
“还以为这些家伙要派上用场哩…”
没多久，阿克利院长果然提拨了一笔钱下来，让劳伦斯顺利地组装一套无线电设备。
之后，他总是在课余时，找劳伦斯聊天。阿克利院长带着富有启发性的言语，一点一滴
地劝诱劳伦斯踏上一些科学伟人的征途。
在劳伦斯的房边里，总是挂著到康普顿、玻尔和拉塞福等物理界天才的照片，当然囉，
其中也包括了阿克利院长的相片。他的室友见此，问他为什么，劳伦斯总是淡淡地说：
“因为，
爱。”
该年的暑假之后，他便跳槽到物理学院，并接受阿克利院一对一的指导，来弥补过去
对于物理学的不足。1922年，劳伦斯毕业之后，随即被阿克利院送到美国明尼苏达大学，
在那里他获得了物理学硕士。他的指导教授威廉‧法兰西斯‧格雷‧斯旺，对劳伦斯有很
深影响，使他对电磁场理论进行了深入的学习。在获得硕士学位之后，便跟随斯旺教授
转到芝加哥大学，在那里，他遇见了著名的年轻物理学家康普顿(A. H. Compton)教授，
并从他那里吸取了许多X射线实验的经验。
1925年，劳伦斯在以钾的光电效应为题在耶鲁大学完成博士学位。在这期间，业余从事
用示波器做显像实验（如果不是有人捷足先登，说不定他会取得发明电视机的专利。）
他兴趣广泛，思路开阔，深得同行的赞许。他成为一名助理教授于并续留在耶鲁大学
研究光电效应。1928年，他被任命为加州大学柏克莱分校物理系副教授，两年后，他
成为该校最年轻的教授。他一直在该校工作到晚年，使柏克莱加州大学由一所新学校
成了核物理的研究基地。
在谈到劳伦斯选择科学研究方向时，不得不说说当时的核物理学与基本粒子学正处于
崭新的一年，当时科学家已经发现了中子（正电子）与重氢（氘），并提出了质子-中子
的原子核模型，同时也建成了粒子加速器。在粒子加速器诞生之前，是用着像拉塞福
使用的〔镭〕辐射出的α粒子去撞击原子核，因为能量不足，强度也弱，效果毕竟是
有限的。劳伦斯深知，要研究原子核，必须人为地使粒子加速，才能取得更好的效果。
1928年前后，人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备
是变压器和整流器、冲击产生器、静电产生器、特士拉(Tesla)线圈等。这些方法全都要
靠高电压，可是电压越高，对绝缘的要求也越苛刻，否则仪器就会被击穿。
1929年初的一个晚上，劳伦斯正在大学图书馆浏览期刊苦思解决方案之际，无意中发现
在一本德文电气工程杂志上有一篇维德罗(Wideroe)的论文，讨论正离子的多次加速问题
。虽然劳伦斯的德文不太灵光，但他只是看看插图和仪器照片。
＝底下是有点深度的论文，不喜可略过=＝底下是有点深度的论文，不喜可略过=
感谢大大无私的分享。
有下有推。
＝以上是有点深度的论文，不喜可略过=＝以上是有点深度的论文，不喜可略过=
这篇论文吸引了他的注意，使他领悟到可以采用一种巧妙的方法来解决这个矛盾：
“不用直线上那许多圆柱形电极，可不可以靠适当的磁场装置，只用两个电极，让
正离子一次一次地来往于电极之间？只要证明均匀磁场恰好有合适的特性，在磁场中
转圈的离子，其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场共振，
在适当的空心电极之间来回转圈。（这个频率后来叫做‘回旋频率’）。
简而言之，他希望用磁场把粒子限制在一个圆圈里面，粒子在里头不断地循环，不断地
加速。此时，如果把原子靶放在圆形电极的周围，让这些带有高能量的粒子去轰击它，
使原子核破裂，这样一来就可以研究核内的性质。
在一次学校的讨论会上，他再次振臂疾呼，热情的措词，慷慨激昂的语调，随身携带着
班子与铁槌交错闪耀在讲台前…。可惜的是，校内的教授，甚至是同事莫不抱持的保守
的态度，认为这些都是理论上的东西，要实现它太困难了。
“你造个阿姆斯特朗砲要干嘛呢？你想跟谁开战啊？”摇头声与嘲笑声此起彼落。
“你错了！我要造的是新阿姆斯特朗炫风喷射阿姆斯特朗砲（Neo Armstrong Cyclone
Jet Armstrong Canon），我要用它来战你老木！！”
1930年春，劳伦斯让他的一名研究生爱德勒夫森(Nels Edlefson)做了两个结构简陋的
回旋加速器模型。真空室的直径只有4英吋，其中的一个还真的显示了能工作的迹象。
同年9月，美国科学院在柏克莱开会，劳伦斯在会上宣布了这一新方法，并向与会者展示
了小模型。在这微型回旋加速器上加不到1千伏的电压，可使质子加速到80000电子伏的
速度，也就是说，不到1千伏的电压达到了8万伏的加速效果。
这次实验标志了回旋加速器的成功。
他的一个学生，史坦利‧李文斯顿(M. S. Livingston)，用黄铜和封蜡作出了直径
4.5英吋的真空室，它加速氢离子（质子）到13000电子伏特（eV）。不久，劳伦斯着手
建立第二个回旋，建成后，它加速质子到120万电子伏特，这能量足够引起核解体。
1932年，劳伦斯建成了11英吋的仪器，可把质子加速到1.25百万电子伏 (MeV)，轻而易举
地实现并验证了英国卡文迪西实验室的科克饶夫(J. D. Cockcroft)和瓦尔顿(E. T. S.
Walton)用高压倍加器作出了锂(Li)转变实验。这次实验的成功，显示了回旋加速器的
优越性，使科学界认识到它的意义，许多放射性同位素陆续在柏克莱发现，柏克莱加州
大学成了核物理的研究中心，并把生产出来的放射性同位素提供给医生、生物化学家、
农业和工程科学家，以供推广应用，包括放射性碘治疗，首次治疗甲状腺功能亢进症。
此外，他提出了利用中子束治疗癌症。
1936年，在劳伦斯主持下，37英吋的回旋加速器改装完成，使粒子能量达到6MeV。用它
测量了中子的磁矩，并且产生出了第一个人造元素