張瑞棋
【內文精選】
1896年貝克勒(Henri Becquerel)無意間發現鈾鹽具有放射性，自此開啟了科學家探究原子內部結構的途徑。最有名的例子就是拉塞福於1909年，用精煉後的鐳所輻射出來的α粒子轟炸金箔，因而發現原子核；十年之後，他又發現氮在α粒子的轟擊下，竟變成氧，並跑出一個氫原子核，因而發現原子核中有質子。
一個元素竟然能用人工方式變成另一種元素，那麼是不是可以藉此製造更多不同元素？甚至實現鍊土成金的夢想？不過原子序越大的元素，其原子核的質子越多，因此正電荷越強，用天然放射源產生的α粒子是打不進去的；拉塞福便在1927年大聲疾呼物理學家要找出產生高速粒子的方法。
就在這一年，在德國攻讀博士的挪威籍物理學家威德羅(Rolf Widerøe)讀到一篇直線加速器的論文，這是瑞典科學家伊辛(Gustaf Ising)在1924年提出的構想，在帶電粒子的行進方向上安置多個高壓電場，推動粒子加速前進。伊辛並沒有把機器做出來，威德羅決定以此作為論文題目，結果於1928年藉由轉換電場的正負極方向，先推後拉地將鈉離子和鉀離子的速度提高兩倍到5萬電子伏特，完成世上第一台直線加速器。
不過核子物理學家需要的粒子至少要達百萬電子伏特的數量級，因此威德羅這台加速器只能算是概念驗證，仍不具實用價值。若要做出百萬電子伏特以上的直線加速器，不但需要很大的空間，也要很高的電壓，建造費用與運作成本更是相當高昂。當許多物理學家試圖克服困難，打造更高能量的直線加速器時，在大西洋的另一端，一位未滿30歲的美國物理學家—勞倫斯(Ernest Lawrence)卻另闢蹊徑，想出另一種方法。
勞倫斯於1901年8月8日出生在南達克達州的一個小鎮，憑藉著優異的學術表現，24歲就取得耶魯大學的物理博士學位，並在隔年獲聘為助理教授。1928年他轉往加州大學柏克萊分校任教，隔年春天，他在圖書館翻閱期刊時，看到威德羅的博士論文。雖然只懂一點德文的勞倫斯無法全然了解論文內容，但還是從插圖看出來粒子加速的原理。他興起也來造一台直線加速器的念頭，但計算後發現要將粒子加速到一百萬電子伏特，所需的距離遠超過現有的校舍。他尋思是否可能讓加速器擺得進實驗室，忽然靈機一動：把直線改成螺旋狀，用磁場引導帶電粒子的行進方向，如此就能縮小加速器的尺寸，而且不必用很高的電壓就能讓粒子逐步加速到極高的能量。
勞倫斯找了研究生李文斯頓(Stanley Livingston)幫忙打造，先做出直徑僅4吋的迴旋加速器，於1931年1月成功地只用1,800伏特的電壓就把質子加速到8萬電子伏特。李文斯頓憑此成果拿到博士學位後，繼續和勞倫斯合作，著手把迴旋加速器的尺寸加大到11吋。1931年8月3日這一天，出差在外的勞倫斯收到一封電報，寫著：「李文斯頓博士要我告訴你，他已經獲得1,100,000伏特的質子。他還要我加上“Whoopee!”。」
達成這個重要里程碑後，勞倫斯在8月26日就向學校爭取到設立「輻射實驗室」，也就是現今改隸屬於美國能源部的「勞倫斯柏克萊國家實驗室」(Lawrence Berkeley National Laboratory)，這所實驗室至今誕生了十五名諾貝爾獎得主，當然，其中也包括了勞倫斯本人。
勞倫斯率領輻射實驗室繼續打造更大的迴旋加速器，從27吋、37吋，到1939年5月已達60吋，可達16百萬電子伏特。他們從1938年起轟出多個前所未見的 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》440期，更多資料請見下方附檔。