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欧内斯特·奥兰多·劳伦斯

Ernest_Orlando_Lawrence.

欧内斯特·奥兰多·劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence,1901年8月8日~1958年8月27日),美国物理学家,1939年诺贝尔物理学奖获得者。1922年毕业于南达科他州州立大学,1923年获明尼苏达大学物理博士,旋赴芝加哥大学研究一年,最后于24岁时获耶鲁大学物理学博士。

 

生平简介

 

欧内斯特·劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence,1901~1958),美国物理学家,1901年8月8日出生于美国北达科他州南部的坎顿。1922年毕业于南达科他大学,后来继续在明尼苏达大学、芝加哥大学和耶鲁大学深造。1925年在耶鲁大学获哲学博士学位,次年又获南达科他大学科学博士学位。1925~1927年在耶鲁大学工作。1928年起在伯克利加利福尼亚大学工作,1930年起任教授。1936年起任辐射实验室(现名劳伦斯辐射实验室)主任。

 

科学研究

 

劳伦斯一生从事加速器技术、核物理及其在生物学和医学上应用方面的研究。1928年美国物理学家伽莫夫(G.Gamow)提出,可以用质子代替α粒子作为轰击物来实现人工核反应。由氢原子电离而得到的质子能量很小,需要通过电场或磁场进行加速,以保证作为“炮弹”的质子获得足够高的能量。于是,各种类型的粒子加速器逐步发展起来。1929年劳伦斯提出磁共振加速器(即回旋加速器)的构造原理,即利用一个均匀磁场,使加速粒子沿螺旋形路径运动。

在运动平面内,粒子将越过一个加速间隙,间隙里有一外加射频电场,其变化频率与离子旋转频率同相,以保证粒子每一次通过加速区时都能得到加速。1932年,劳伦斯和他的学生埃德尔森(N.E.Edlefson)和利文斯顿(M.S.Livingston)建成了第一台回旋加速器(直径只有27厘米,可以拿在手中,能量可达1MeV)并开始运行。后来,在劳伦斯的领导下,在美国建成了一系列不同的回旋加速器。40年代初,这类加速器的能量达到40MeV,远远超过了天然放射源的能量。可以用于加速质子、α粒子和氖核,由此发现了许多新的核反应,产生了几百种稳定的和放射性的同位素。回旋加速器对核裂变及核力的研究起着特别重要的作用。劳伦斯由于发明了回旋加速器以及借此取得的成果而于1939年获得诺贝尔物理学奖。

欧内斯特·劳伦斯

 

第二次世界大战前

 

欧洲的许多犹太科学家为躲避纳粹迫害,纷纷迁居美国。他们的贡献为美国科学界增光添彩。世界上第一颗原子弹和氢弹的制造成功,有爱因斯坦、费米、西拉德、特勒等科学家相当大的贡献。

然而,美国本土也培育成长了许多科学家,他们的成就与欧洲学者交相辉映。除了领导曼哈顿工程制造原子弹的奥本海默外,劳伦斯是其中最优秀的一个。

1939年诺贝尔物理学奖得主劳伦斯.

 

素质修养

 

1901年8月8日,欧内斯特·劳伦斯出生在南达科他州的坎顿。他的祖父是一位来自挪威的教师。在挪威的特勒马克市,劳伦斯家族以“脑瓜特灵”而知名。劳伦斯的父亲卡尔在美国完成了大学教育,他的母亲冈达也是挪威移民,出生于一个有艺术传统的世家。南达科他州是一个辽阔的大草原。劳伦斯在当地上小学。这时,他就喜欢捣弄电气、矿石收音机,并自制电报机。中学时,他是一个无线电迷,热衷于无线通信和电路实验。

1918年,劳伦斯进入圣奥拉夫学院。第一次世界大战对美国高校的平静生活产生了影响,劳伦斯不属于那种特别优秀的学生。大二时,他数学、化学、英语等课只得C,宗教是D。圣奥拉夫学院的挫折使劳伦斯转入佛梅林的南达科他大学。在大学他动员校长投资无线电设备,自己则做实验激发同学的兴趣。后来,劳伦斯转学物理,成绩优异。

他又转入了明尼苏达大学读研究生,导师是斯旺教授。在斯旺的指导下,劳伦斯打好了电动力学和磁学的坚实基础,这是他未来取得伟大成功的根基。

劳伦斯要制作一个在磁场中转动的椭圆体,并用此实验写论文。由于他从小做收音机、修汽车,所以能克服制作过程中的许多困难。该装置十分成功。接着,劳伦斯又在斯旺指导下研究获得高能粒子的装置。

由于家境不富裕,劳伦斯曾尝试卖铝制品和收音机赚钱,但收益不大。

后来,劳伦斯进入芝加哥大学的赖森物理实验室工作。在那里,他结识了犹太物理学家雅各布森,获益良多。劳伦斯勤奋工作,成绩显著,在美国物理学界已经小有名气。许多名牌大学都邀请他任教,条件十分优厚。劳伦斯在耶鲁大学渡过一段美好的时光。

Diagram of cyclotron operation from Lawrence's 1934 patent.

 

教学环境和实验设备

 

加州大学伯克利分校给了他十分有利的教学环境和实验设备。劳伦斯在1928年到西海岸开始新的工作和生活。在加州大学,他的工作激情感染了大学生们和同行,一位同事回忆说:“他给人的印象是从手指到全身都充满了活力,无论走到哪里,这气氛就带到哪里。”

1929年,劳伦斯从一篇文献上读到两只电子管用同步的方法给钾离子升压的报道,受到了很大的启发。他想,难道不能用排成一列的更多的电子管同步升压,使带电粒子获得更高的电压吗?

他非常激动,不断计算,发现直列式升压后部的电子管体积功率都十分巨大。如果能组成一个环形,让带电粒子在圆环的每个电子管中同步升压,将能达到几百万电子伏的高压。如果再用电磁铁把离子束缚在圆环里,那么,这个装置将成为物理学中前所未有的利器,什么高能粒子的实验都可以在它中间完成了。

Oak_Ridge_Y-12_Alpha_Track.----Giant calutron plants developed at Lawrence's laboratory were used at Site X during World War II to purify uranium for use in the first atomic bomb.

劳伦斯兴奋不已。这个装置如此简单、有效、高能,为什么前人就没有想到呢?当别人核实他的计算并问这个装置有什么用时,他回答说:“我要用它来轰碎原子。”

 

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