【物理史上的四月】 1932 年 4 月 14 日:柯克勞夫(John Cockcroft)和沃吞(Ernest Walton)分裂原子核

1932 年 4 月 14 日:柯克勞夫(John Cockcroft)和沃吞(Ernest Walton)分裂原子核

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2019 年 4 月)

 

Photo:Wikimedia Commons

柯克勞夫(John Cockcroft)和沃吞(Ernest Walton)

 

英國女小說家溫特森(Jeanette Winterson)在她 1997 年的小說《大一統理論的對稱》(Gut Symmetries,Symmetries of Grand Unified Theories)中說道:「在日本長崎和廣島原子彈的恐怖中隱藏著愛因斯坦 E=mc2 的美麗。」此方程式的確是熱核武器和核能的基本原則,它最先是一位英國物理學家柯克勞夫(John Cockcroft)和愛爾蘭物理學家沃吞(Ernest Walton)分別將原子核分裂,證實了愛因斯坦的理論。

柯克勞夫出生於 1897 年,第一次世界大戰期間服役於西方戰線。之後,他先攻讀電機工程,後來獲得劍橋大學獎學金,最終到拉塞福(Ernest Rutherford)卡文迪西實驗室(Cavendish Laboratory)當研究生。柯克勞夫於 1925 年獲得博士學位。沃吞於 1903 年出生在一個愛爾蘭衛理教會牧師家庭,獲得都柏林三一學院的獎學金,攻讀數學和科學。他完成學業後,也到卡文迪西實驗室研究,於 1931 年完成博士學業。沃吞繼續當了 3 年的研究員,和柯克勞夫合作實驗,研究原子的結構。

拉塞福於 1919 年成功地以α粒子撞擊氮原子,辛苦地得到原子核結構的一些重要線索,但仍需要更強力的撞擊粒子射束,才能得到更進一步深入的理解。 1928 年,在哥本哈根工作的烏克蘭理論學家加莫夫(George Gamow)到卡文迪西實驗室訪問,柯克勞夫跟他討論後,確認要以質子打進如硼或鋰這類輕核的內部,所需的能量可能最高不過 300 千電子伏特(kilo-electron-volt, keV),便向拉塞福提了一個簡要的計畫書,馬上獲得拉塞福的同意,並請當時正在研發早期線性式和迴旋式加速器的沃吞加入計畫。兩人很快地在 1930 年建造出一個可以加壓至 280 千伏(kV)的線性加速器,1932 年更提高到 500kV,便開始以之撞擊鋰,結果馬上發現只需 125 keV 的質子,即可自鋰核中撞出α粒子〔註〕。

1932 年 4 月 14 日,沃吞在撞擊鋰標靶後,注意到明確的α粒子信號,顯示鋰分裂成兩個氦核。經柯克勞夫和拉塞福確認它的正確性後,三人當晚就寫了一封信到《自然》(Nature)期刊,宣布第一次經由人工讓原子核蛻變,即原子的分裂,第一次一個元素(鋰)分裂成另一個元素(氦)的核分裂。

     他們還獲得額外的收獲,當他們計算新的氦核全部的動能時,發現它大於原先的氫和鋰核,而且和全部質量的損失一致,因之也證明了愛因斯坦的能量和質量等價方程式(E=mc2)。

團隊接著採用碳、氮和氧原子靶,再使用質子、氘核和α粒子去撞擊,以產生放射性的同位素,完成了相同的實驗。他們因此研究獲得了 1951 年諾貝爾物理獎。得獎讚詞說他們的研究開啟了「一個嶄新、有卓效的研究領域,深深地影響整個核物理未來的方向,成為科學史上的里程碑。」但能量的釋放太緩慢了,無法有太多實際的用途,後來一位匈牙利的物理學家西拉德(Leo Szilard)提議用額外的中子撞擊原子核,讓原子不穩定,進而產生連鎖反應,能更快速地釋放出能量。

雖然柯克勞夫和沃吞成功了,但是他們所建造的加速器在設計上比不上美國勞倫斯(Ernest O. Lawrence)所發展的迴旋加速器。柯克勞夫於是說服拉塞福,在卡文迪西實驗室投資一個依據勞倫斯所設計的 36 吋迴旋加速器。它很快地就建造好可以運作,而第二座更大的迴旋加速器也跟著建造,但因第二次世界大戰爆發,而延誤完工。

在戰爭期間,柯克勞夫做雷達方面的研究,尤其要將敵機擊落,並讓預警的雷達系統運作。他同時被任命負責處理和原子彈技術可行性有關事務的委員會。

1944 年,柯克勞夫被任命為蒙特婁實驗室(Montreal Laboratory)主任,這是加拿大一所新的重水核反應爐,用來製造鈽和濃縮鈾。兩年後,他擔任英國原子能科學研究院(AERE)院長,監督各種反應爐的建造。西歐第一個核反應爐於 1947 年 8 月在英國原子能科學研究院啟用。

1950 年代,類似設計的反應爐在英國西北部的文治克耳(Windscale)廠區執行,以生產原子彈所需的可裂物,當時柯克勞夫做了一個備受爭議的決定:他堅持在煙囪排氣管安裝高性能的過濾器。因為有報告指出,在田納西橡樹嶺(Oak Ridge)國家研究所,靠近 X-10 的石墨反應器曾測出氧化鈾,柯克勞夫要防止類似的洩漏。

此工程所費不貲,因為柯克勞夫做此決定是在設計過程的末期,結果煙囪的形狀凹凸不平。而且最後證明橡樹嶺的氧化鈾是出自化學廠,不是反應器,過濾器因此被戲稱為「柯克勞夫的蠢物」,因為他的同事都認為不需要,只有他堅持。然而,柯克勞夫過度的小心終究有好結果:1957 年文治克耳廠區的一場大火,有一個反應器也著火,但由於有過濾器,因此沒有輻射物質外逸至附近的環境

1959 年,柯克勞夫擔任 1960 年正式成立的劍橋大學邱吉爾學院的第一任院長。他 196 7年因心臟衰竭病死劍橋家中。沃吞則於 1934 年回到愛爾蘭他的母校三一學院當研究員,研究玻璃的磷光效應、放射性碳定年法、以及玻璃的薄膜沉積等。他於 1995 年在伯發斯特(Belfast)過世,享年 91 歲。

譯者註:文中第三段有關此研究工作的緣起,原文的敘述與柯∕沃二人在諾貝爾演講中所述有些出入,此文根據他們的演講內容,做了修正。

 

National Science Museum, London

柯克勞夫-沃吞高壓產生器

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