2024年5月14日发(作者：手机投屏电视)

回旋加速器之父

1901年8月3日，欧内斯特·奥兰多·劳伦斯在美国南达科他州的坎顿城出生。父亲卡尔·劳伦斯毕

业于威斯康星州立大学，曾先后出任县、市、州公共学校的督学，1919年4月出任南达科他州立师范

学院院长。母亲冈达·雅各布森是一位中学数学老师、一位贤妻良母，深受孩子们的尊敬与爱戴。

良好的家庭条件为劳伦斯创造了不错的学习气氛，他从小就喜欢读书，阅读了不少科学书籍。9岁

时，劳伦斯对电产生了浓厚的兴趣，喜欢自己动手制作一些电报、电话装置，还时常同他最要好的伙

伴M·图夫一起收集废电池，给这些废电池充电，用来开动马达。有趣的是，这两位志趣相投的小伙伴

后来都成为著名的物理学家。

劳伦斯成绩出众，提前一年中学毕业。1918年秋，他进入明尼苏达州诺思菲尔德的圣奥拉夫学院

学习，1年后转到南达科他大学。刚到南达科他大学，他就以超乎寻常的充沛精力投入物理学的学习。

一连6周，每天的大部分时间都用于紧张的学习，要不然就是在实验室做实验。6周过去了，整个二

年级的物理课也就上完了。在秋季的新学期，除了选修数学、化学、动物学、经济学和法语外，他还

选修了三年级的物理。在四年级，他的课表上又增加了地质学、电工学、高级经济学、高级物理学等

课程，同时还主动承担了大学一年级的数学教学工作。

电气工程学院院长阿克利教授对劳伦斯非常赏识，在他的鼓励下，劳伦斯对物理学的兴趣越来越

浓厚。1922年秋，劳伦斯获南达科他大学学士学位。阿克利教授建议劳伦斯去芝加哥大学攻读研究生，

劳伦斯也申请了芝加哥大学的奖学金。就在此时，他收到了幼时伙伴M·图夫的来信，邀请他到明尼苏

达大学一起读研究生。劳伦斯采纳了M·图夫的建议，驾着他那辆破旧的福特汽车，来到明尼苏达大学。

在明尼苏达大学，在导师斯旺教授的指导下，劳伦斯刻苦学习，很快打好了电动力学和磁学的坚

实基础。仅用了1年时间，便取得了硕士学位。

1923年秋，劳伦斯获硕士学位后，随同斯旺教授来到芝加哥大学继续学习，一年后又随斯旺到了

耶鲁大学。在这里，他作为实验者的天赋才真正显示出来。1925年，他很快完成博士论文《在钾蒸气

中光电效应的研究》，获耶鲁大学哲学博士学位。这样的成绩是惊人的，但在他的朋友们看来，这不足

为奇。1925年7月27日，学校举行博士学位授予典礼的那个重大时日，劳伦斯还像平日一样忙个不

停，就在戴博士帽、穿博士服之前，他还要匆匆忙忙去一趟实验室。

年轻的劳伦斯开始被科学界知晓。1925年，劳伦斯在耶鲁大学任研究员，不久被提升为助理教授。

在耶鲁大学工作期间，他在光电效应方面的研究取得了许多成果，为他在物理学界的辉煌奠定了坚实

的基础。1928年秋，劳伦斯受聘为加利福尼亚州立大学伯克利分校物理学副教授，两年后升任教授，

成为伯克利分校有史以来最年轻的正教授。正是在伯克利分校，劳伦斯发明了著名的回旋加速器，使

这位年轻人闻名于世。

超常精力

劳伦斯的一生，为何能取得如此众多的成就?答案是不一而足的，但是有一点可以肯定，那就是他

的不知疲倦，精力超常。

劳伦斯的生活节奏很快。由于他个人能力与品格的吸引，他的实验室中聚集了一批年轻有为、才

华超群的物理学人才。1968年度诺贝尔奖获得者L·阿尔瓦雷茨曾这样评价劳伦斯对他们的影响：“欧

内斯特·劳伦斯的影响标志之一就是这样一个事实：我是他那个实验室工作人员中第8个获得了科学家

所能获得的最高荣誉——诺贝尔奖金的人。”

劳伦斯精力充沛，一位实验室工作人员说：“劳伦斯的精力非常旺盛，他简直要把我累死了。我

们的实验室经常灯火通明，常常需要我们一鼓作气连干一两天。我们干了一整天、一整夜，第二天又

干了一整天，而劳伦斯居然在第二天晚上赴约会。他的精力充沛得令人吃惊!他有着使不完的精力，而

且对事物有非常敏锐的洞察力。他是我们实验室的主要推动力。他是一个出色的、天才般的实验家。”

劳伦斯常常在生活中思考某个物理问题。一次，他和同伴去看电影，把汽车停在电影院门口的街

上，谈物理问题一直谈到电影院。电影结束后，又一路说着回到实验室。汽车被遗忘了两天，后来他

根本想不起来车停在哪里。

回旋加速

1919年，物理学家欧内斯特·卢瑟福用天然a粒子从氦原子核中打出质子，这标志着人类第一次

实现了改变化学元素的人工核反应。这种用粒子轰击原子核引起核反应的方法，很快成为人们研究原

子核的重要手段。但卢瑟福的发现同样告诉人们，要想成功完成打碎原子核的实验，必须把粒子加速

到很高的能量。

1927年，卢瑟福曾提出用加速器为粒子提供足够的能量以实现原子核嬗变是可能的。受卢瑟福的

理论影响，劳伦斯开始了探索。1929年春的一个晚上，劳伦斯在图书馆翻阅期刊杂志，看到挪威工程

师威德罗的论文《关于产生高压的新原理》，威德罗在文中阐述的解决高压问题的方法，是把高频振荡

电压适当地加到一连串的圆筒形电极上来加速正离子。这种离子多次加速的新思想使劳伦斯意识到，

这正是他日夜寻找的加速正离子问题的真正答案。

但是，劳伦斯估算了一下，能量超过1兆电子伏特的直线加速器的长度可能达数米，这样的长度

并不适合当时的实验室环境。因此，他开始考虑，能否不用在一条直线上的许多圆筒形电极，而使用

两个电极，通过均匀的磁场装置使正离子反复通过这两个电极。如果在这种磁场中放一个离子源，在

轨迹的一条直径上加一个垂直于磁场的、与离子运动频率相同变化的交变电压，使离子在通过该直径

时被加速，即让被加速的粒子与振荡电场发生共振，这样就可以实现粒子多次加速。

把两个呈字母D形的盒子相对放置，D型盒上加一个上述的交变电压，并将整个系统置于一个真

空室内，即可实现粒子不断加速的目的。这就是劳伦斯于1929年提出的回旋加速器的思想。这样不

需高压，只要通过多次加速，使粒子获得高能量，因而避免了高压带来的困难，而且只需相对小得多

的空间。

1930年春，建造回旋加速器的工作正式开始了。1931年，在学生的协助下，第一台可行的加速

器终于制造出来。在这台装置里，质子在一个巨大的电磁体的两个平面极之间沿圆形轨道运行。质子

在真

空中的运行轨道来回穿过两个D型电极之间的空隙。给D型电极加上交变电压，这样每个质子在

一个绕行周期中就获得两次能量“突增”。质子运动得越来越快，它们就沿着螺旋形轨道逐渐靠近仪

器的边缘，最终通过一个狭缝射出，轰击靶子。利用这台机器，能获得百万电子伏特的原子“炮弹”

用以轰击其他原子的原子核，使之释放出巨大的原子能，从而引起许多新的核裂变。这些实验的结果

之一，就是把普通的盐，转变为放射出比天然的镭所放射出的射线还要强的人工放射性物质。

1932年春，劳伦斯和他的合作者成功地建造了直径为11英寸的回旋加速器，并能将质子加速到

能量为1兆电子伏特。但劳伦斯并不满足，1939年，他又成功地建造了一个重225吨的新的回旋加

速器，可提供20兆电子伏特的能量，超过天然放射源的能量水平。然而劳伦斯的探索仍不停止，1941

年，他终于制造出一台理想的回旋加速器，对核裂变及核力问题的研究起了极其重要的作用。

影响深远

回旋加速器的研制成功，是劳伦斯对原子核物理发展所做出的极为重要的贡献。天然放射性物质

所产生的a粒子，能量极其有限，数量也很少，严重阻碍了原子核物理的研究与发展。利用回旋加速

器，人们能够获得高能量的粒子，从而使原子核的研究向前迈进了一大步。劳伦斯在研制加速器的同

时，花费许多时间研究和生产放射性同位素，发现了已知元素的几百种放射性同位素。此外，世界上

第一个人造元素锝也是在劳伦斯的回旋加速器中产生的。

回旋加速器也为利用原子能揭开了新篇章。第二次世界大战期间，在劳伦斯、康普顿等领导下，

研究铀裂变、制造原子弹的工作全力以赴地展开了。珍珠港事件的前一天，劳伦斯报告说，他能在一

小时内从U238中分离出1微克非常纯的U235。这使得官方在1942年批准了耗资3亿多美元的橡

树岭大实验室，为制造轰炸广岛的原子弹提供所需的U235。

第二次世界大战结束后，劳伦斯回到了伯克利的研究工作中。1946年，伯克利辐射实验室成功地

制成了184英寸的新型同步回旋加速器。1948年，辐射实验室用这台加速器第一次实现了人工制造

介子。在当时，这也是世界上惟一可以产生介子的装置，由此开始了用加速器研究基本粒子的新时期。

今天，加速器成为高能物理研究中必不可少的重要工具。加速器的能量大小，成为科学技术发展

水平的重要标志。

1958年8月27日，劳伦斯在加利福尼亚的帕洛阿尔托逝世。为了纪念劳伦斯，加利福尼亚州的

伯克利和利弗莫尔加建立了劳伦斯实验室，美国原子能委员会颁发一年一次的劳伦斯奖，还用他的名

字命名了第103号元素——铹。