图:诺贝尔基金会,约 1950(瑞典摄影作品,公有领域,维基共享资源)
欧内斯特·沃尔顿
Ernest Thomas Sinton Walton1903–1995 · 生于爱尔兰沃特福德郡邓加文 · 爱尔兰
搭起倍压高压塔、第一个看见锂核被打碎的闪光,随后回到都柏林教了四十年书
诺贝尔物理学奖 1951 以人工加速的原子粒子实现原子核嬗变的开创性工作(与考克饶夫共享)
「1929 年……有迹象表明,原子核的蜕变终究有可能由能量相当低的粒子引起。」
—— 沃尔顿诺贝尔演讲《快速粒子的人工产生》(1951)
1932 年 4 月 14 日,剑桥卡文迪什实验室一台高压塔的底下,一个二十八岁的爱尔兰人钻进一间小木屋,把眼睛凑到显微镜上。荧光屏上闪起了一粒粒亮点——那是锂核被质子打碎后飞出的 α 粒子。
沃尔顿是第一个看见它的人。他和考克饶夫用人工加速的质子第一次改变了原子核,也因此在十九年后共享诺贝尔奖。但他一生的大部分时间并不在剑桥,而是在都柏林的讲台上。
牧师的儿子
沃尔顿 1903 年生在爱尔兰南海岸的邓加文,父亲是卫理公会牧师。按教会的规矩,牧师每隔几年就要换一个教区,他小时候跟着全家在爱尔兰各地搬来搬去,读过好几所走读学校。1915 年他被送到贝尔法斯特的卫理公会学院寄宿,数学和科学在班上拔尖。
1922 年他拿奖学金进了都柏林圣三一学院,同时修数学和实验科学两门荣誉课程,1926 年两科都拿了一等。1927 年他获得 1851 年博览会的研究奖学金,去了剑桥,投在卢瑟福门下。
先试间接的路
1920 年代末,人人都想要一束能量可调的快粒子,但原子核的势垒估计有几百万伏高,远超当时任何真空管能承受的电压。沃尔顿在诺贝尔演讲里说,正是这个困难,促使人们去找「不用对应高电压」的办法。
他最早试的就是这类间接办法。一种是让粒子在一串圆筒之间被交变电压反复推一把,也就是后来的直线加速器,这个想法最早由瑞典的古斯塔夫·伊辛在 1925 年提出(不是提出伊辛模型的那位恩斯特·伊辛),维德罗厄 1928 年做出了第一个演示;另一种是用变化的磁通产生环形电场,让电子一圈圈加速。沃尔顿 1929 年的论文讨论了这种轨道怎样才能稳定——十几年后,克斯特沿这条路做成了电子感应加速器。
转向直接高压
同一时期,伽莫夫的隧穿理论给出了另一条路:粒子不必翻过势垒,可以穿过去。据沃尔顿的演讲,伽莫夫 1928 年访问卡文迪什时,考克饶夫跟他讨论了「怎样把粒子送进原子核」的反问题,随后写备忘录给卢瑟福,说明能量只有 10 万电子伏的质子也有虽小但不可忽略的机会钻进轻核。既然能加速的质子数目很多,总会有一些穿过去。
1929 年……有迹象表明,原子核的蜕变终究有可能由能量相当低的粒子引起。
间接方法看起来是长期工程,沃尔顿便和考克饶夫一起转向直接高压。
倍压塔
他们起初的目标是 300 千伏,这差不多是当时 X 射线管能加上的最高电压。第一台装置用的是带两根颈管的大玻璃泡,整流管和加速管都是这种样子,最多把几微安的质子加到约 280 千伏。
实验室搬家后,他们换了一种倍压电路。沃尔顿说它改自申克尔的一个电路:电容和整流管交替串接,每半个周期把电荷往上递一级,可以得到变压器电压的任意偶数倍,中间各级还能引出稳定的抽头,正好分给多段加速管。整流管全部串成一根柱子,用一台接地的扩散泵抽真空。
他们还发现,笔直的玻璃圆筒比能买到的最大玻璃泡都更耐高压。抽真空用的是都市维克斯的伯奇刚发明的油扩散泵;接口则用橡皮泥封住,后来换成一种真空封泥——「只要把两个零件对在一起,用手指把封泥按紧,接口就不漏气了」。1931 年底,四级整流塔和两段加速管都立了起来,最高电压约 700 千伏,束流约 10 微安。
看见闪光
1932 年春天,他们把锂靶放在加速管底部,靶对面放上硫化锌荧光屏。据考克饶夫的诺贝尔演讲,几乎是立刻,在 125 千伏下,沃尔顿就看到了 α 粒子特有的明亮闪烁。
两人随后量了射程,又用两块屏、两个人各按一个电键确认 α 粒子成对飞出。锂 7 吞下一个质子,碎成两个氦核,每个带走约 8.6 MeV。沃尔顿的诺贝尔奖自传把功劳说得很具体:他们「直接负责用加速的质子使锂原子的核蜕变,并鉴定出产物是氦核」。
放出的能量与反应前后的质量差大致相符,这件事后来常被说成「验证了 」。他们在 1932 年《自然》上的原话要谨慎得多,只说与质量减少所预期的「大致相符」;详细的质量账见考克饶夫一页。
回到都柏林
1934 年,沃尔顿离开剑桥,回圣三一学院当研究员。离开前,他和考克饶夫还用质子轰击碳,得到了半衰期约 11 分钟的正电子放射性。1946 年他当上伊拉斯谟·史密斯自然与实验哲学讲座教授,1960 年当选高级研究员,1974 年退休。
都柏林的经费远不能和剑桥相比。他在这里做的研究规模很小,更大的功夫花在教学上:他以能把复杂的东西讲得简单明白出名,也主持更新了物理系的课程。1938 年他与考克饶夫共获皇家学会休斯奖章,1951 年共获诺贝尔物理学奖。
信仰与和平
沃尔顿一生是虔诚的卫理公会信徒,得奖后常在各地演讲科学与宗教的关系。据圣三一学院物理系的院史介绍,二战期间英美两国都曾邀他参加战时科研,其中包括曼哈顿计划,他出于和平主义立场都婉拒了;后来他参加了反对核军备竞赛的帕格沃什运动,担任爱尔兰分会的会长。
晚年他把诺贝尔奖章与证书赠给了圣三一学院。1995 年 6 月 25 日,他在贝尔法斯特去世,终年 91 岁。
代表方程
倍压整流
电容与整流管交替串接,每半个周期把电荷往上「递」一级, 级叠起来输出就是变压器峰值电压的 倍,而每个元件只需承受 。沃尔顿说他们的电路改自申克尔 1919 年的设计,1932 年用的是四倍压,最高约 700 千伏。
锂核的蜕变
1932 年 4 月 14 日沃尔顿在荧光屏上看到的闪光:质子只有 125 千电子伏,锂 7 碎成的两个 α 粒子却各带约 8.6 MeV,在空气里能跑 8 厘米多。
电子感应加速的二比一条件
用变化的磁通产生环形电场来加速电子时,轨道处的磁场必须恰好是轨道内平均磁场的一半,粒子才会一直沿同一个圆转。沃尔顿在演讲里说:均匀磁场总是「恰好强了一倍」,粒子会螺旋着掉向中心。这是他在剑桥最早试过的间接加速法,后来由克斯特做成了电子感应加速器。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.沃尔顿《用间接方法产生高速电子》,《剑桥哲学学会会刊》第 25 卷第 469–481 页(1929)
- 2.考克饶夫、沃尔顿《高速正离子实验》,《皇家学会会刊 A》第 129 卷第 477–489 页(1930)
- 3.考克饶夫、沃尔顿《高速正离子实验(一):获得高速正离子方法的进一步发展》,《皇家学会会刊 A》第 136 卷第 619–630 页(1932)
- 4.考克饶夫、沃尔顿《快质子使锂蜕变》,《自然》第 129 卷第 649 页(1932)
- 5.考克饶夫、吉尔伯特、沃尔顿《高速正离子实验(四):高速质子与氘核诱发的放射性》,《皇家学会会刊 A》第 148 卷第 225–240 页(1935)
- 6.沃尔顿诺贝尔演讲《快速粒子的人工产生》(1951)
- 7.沃尔顿诺贝尔奖自传(1951)
- 8.都柏林圣三一学院物理系《伊拉斯谟·史密斯讲座教授:沃尔顿》