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加速吧,粒子们!

2020年10月10日
“隐约雷鸣,阴霾天空,但盼风雨来,能留你在此。”《万叶集》中的《雷神》一文随着日本动画片《言叶之庭》的热播逐步走红,听着影片中阵阵的雷声,你是否思考过雷电是由什么组成的?科学的发展往往是从疑问开始的,18世纪,人们得益于富兰克林的研究,开始了解到雷电也是一种电流,和摩擦产生的电流别无二致。科学的发展,除了从疑问开始,有时也伴随着偶然,有相当一部分科学的进步是因为一次次的偶然而产生的。那么更进一步,电流是由什么组成的?电流的本质是什么?电流和本期要讲的粒子加速器又有怎样的联系?就让我们跟随科学家的脚步,一起去探寻粒子加速器的奥秘。
富兰克林引雷实验(绘图/史金阳)
用电子撬开微观世界的大门
18世纪末,人们困惑于原子激发出的阴极射线是一种波还是一种微粒,因为这个问题关乎原子内部是否有结构。如果说阴极射线是一种微粒,那么就说明原子可以释放出比它本身更微小的物质,所以原子可能是由更微小的粒子构成的,原子也将不再是最小的构成物质单位。剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆森在研究阴极射线的过程中发现,由于电场的作用,阴极射线发生了偏转,之后他通过带电粒子束弯曲的曲率计算出阴极射线粒子的质量与电荷的比值,并将其定义为一种粒子,命名为电子。
电子的发现可以说是微观粒子研究的开始,电子就像一把上帝遗留在人间用来打开微观世界奥秘的钥匙,而他的发现,也打破了“原子是不可再分”的观点。从某种意义上来说,它解放了当时物理学家们的思想,大家开始认真地思考原子内部的问题:既然原子里有比它还小的核外电子,那么原子是不是有它内部的微观结构?带着这个问题,许多物理学家开始着手探索原子内部的故事。这场不知终点或者说不知道存不存在终点的探索开始了。
向着未知领域的冲锋
随着禁锢已久的思想得到解放,原子物理的研究效率大大提高。电子被发现几年后,考虑到原子本身不带电,既然电子带负电荷,那么原子的内部必然有携带正电荷的单位将负电荷抵消从而使得整体呈现中性。受限于当时的认知,人们并不能清楚了解原子的准确结构,汤姆森提出了类似于枣糕的模型,带负电荷的电子就像枣核一样镶嵌在带正电荷的原子内部。
不过汤姆森的这一模型还没来得及闻名世界,就被他的学生卢瑟福打破了。1909年,欧内斯特·卢瑟福使用金箔作为目标靶,以天然放射源发出的α(alpha)粒子作为炮弹轰击金箔(金箔相对于铝箔延展性更好,并且金的原子量比较大,相应散射效果比较好),他设计这个实验的初衷是验证枣糕模型的正确性。由于电子质量极小,哪怕α粒子直接与电子发生碰撞也不会明显改变α粒子的方向,并且正电荷均匀分布,对进入其中的α粒子的电磁力作用也很小,所以他预期的是大多数的α粒子都可以径直的穿过原子,从而验证原子的内部只有像枣核一样的电子。
然而,戏剧性的试验结果导致了枣糕模型的崩塌。在实验中,他们确实发现大多数α粒子直接穿透了金箔,但是也发现了极少数的α粒子发生了大角度的偏折甚至反射回来,这一发现说明原子内部可能存在一个实体的核心。1911年,卢瑟福想到这样一个模型:原子核中间有一个小小的核心,外围的远方围绕着电子,入射的α粒子大概率直接穿越电子与核心之间的空隙,只有极少数的α粒子刚好运动到原子核附近时才能发生大角度的折射甚至反射,这样的话,模型就能与实验结果符合了。而这个模型一直沿用至今,被称作原子的核式模型。科学就是这样,只有在不断的试错中才能逐渐走向完善。
构成原子的三兄弟:电子、质子和中子
既然原子是可以继续再分的,那么原子核呢?原子核内部有没有结构?正如之前所说的,科学发展开始于对未知的好奇。1919年,卢瑟福使用α粒子轰击氮原子核。所谓的轰击,形象的来说就像是一群人手拉手待在一起,然后从远处跑来一个人突然冲入人群,把其中一个或者几个人撞了出去
实验中,他发现有一种未知的粒子穿透了恰好能阻止α粒子出射的铝箔,并在铝箔后方的荧光屏上打出了亮点。他将这种粒子引入电场与磁场中,计算出了这种未知粒子的质量与电荷,发现这种未知粒子的质量与最轻的元素——氢元素的原子质量是一致的,并且这种粒子携带着正电荷,卢瑟福将这种新发现的粒子命名为质子。
加上之前发现的携带负电荷的电子,这两种粒子电荷相反,那么中性的原子是不是由质子与电子直接组成的呢?在这样的情况下,卢瑟福认为应当是存在一种质子与电子的复合体,这种复合体内质子与电子紧密结合从而使得整体呈现电中性,遗憾的是,这种复合体在很长一段时间内都未被卢瑟福找到。
但其实这种粒子已经存在于博特的实验与居里夫妇的实验中了,只不过他们那时错误地认为实验发现的不过是一种高能的光子,并未加以重视。机会总是留给有准备的人,卢瑟福的学生查德威克看到了居里夫人的文章,他意识到那个粒子绝不可能是光子,随即与卢瑟福进行了讨论,查德威克认为这就是他们10年前就一直在寻找的那个中性粒子。经过实验的验证,查德威克确认了这种中性粒子的存在,并将其命名为中子。至此,构成原子的三种粒子就全都被发现了:电子、质子、中子。
发展的必然——加速器
在电子、光子、质子、中子这些相对能量较低的粒子被发现之后,原子核物理学的发展也逐渐完善起来,理论物理学家们从公式中推导出了更多未发现的粒子以及一些粒子的反粒子,即一种与现有粒子电荷相反的粒子,比如带正电荷的电子以及带负电荷的质子等。但是验证这些粒子的存在变得十分困难,原本利用自然界中具有天然放射性的物质所产生的α(alpha)或者β(beta)射线的能量已经无法满足实验的条件。简单来说就是现在冲刺过来的那个人已经没有办法撞开抱紧在一起的人群了,所以无法再把单个的粒子从复合的体系中剥离出来。
利用自然界能量的轰击效果已经渐渐失效(绘图/史金阳)
既然如此,我们就需要寻找一些具有高能量的炮弹才行。科学家们开始寻找一些更高能的粒子作为实验中的炮弹。科学家们首先注意到宇宙中的射线具有比天然放射源更高的能量,借此发现了携带正电荷的电子,即正电子。科学家们意识到一条非常常见的规律,那就是离子(带电粒子的统称)在电场中会加速,在相同路径下,电场越强,离子获得的能量就越高,由此科学家们发明了直线加速器。更进一步,离子在磁场中会转弯,如果让带电粒子在电场中加速然后导入磁场中,我们就可以通过控制电场与磁场的强弱来控制离子的能量与方向了。之后再让磁场将离子轨道弯曲成一个环形,那么离子将再次回到电场,重复被电场加速。根据这样的构想就有了最初的回旋加速器的设想
随着科学的发展,加速器的需求基本分为两类,一类是核物理方面的,加速器是研究核物理的重要工具,在核武器、放射医疗、航空航天等领域有着至关重要的作用而在检测领域,由于中子有良好的穿透性,常常被用于对一些大型精密器件的检测中,比如高铁的车轴、车轮以及一些卫星部件等。中国在这个领域建设的加速器有兰州重离子加速器(HIRFL)、广东惠州强流重离子加速器装置(HIAF)等。另一类是高能粒子领域的,加速器产生的离子束流在受控条件下发生对撞,从而将一些更微小的粒子撞碎,我们可以使用这些粒子的碎片还原出粒子原本的面貌,从而了解某种粒子的内部结构。另一方面我们有可能从这些碎片中发现新的粒子,比如τ子、夸克、W±与Z0玻色子,以及几年前发现的希格斯玻色子,这些都是通过对撞方式获得的。
知识链接:加速器竟然是下一代治癌神器?
加速器除了在科学研究领域被普遍应用,也被广泛应用于医疗与无损检测等领域。
在医疗领域,用重离子束治疗癌症具有治愈率高、疗程短、对患者的健康组织损伤小、适形照射剂量分布好、并能实时监测等显著特点,因此又被誉为“治癌利器”,是当今国际公认的最尖端的放射治疗技术。2019年,中国首台自主知识产权的重离子治癌装置已进入临床应用前的最后冲刺阶段,此装置采用了独特的“回旋注入器+同步加速器”技术路线,同步加速器周长从科学实验用的161米缩短至56.2米,是目前世界上医用重离子加速器中周长最小的同步加速器系统。而它的工作原理得益于重离子的能量沉积特性,通过加速器加速重离子,轰击癌细胞从而达到治疗癌症的效果,是未来发展的主要方向之一。
为了满足进一步的科学实验要求,科学家们在原始加速器的基础上进行了改进,将原始加速器升级为了更易控制、能量更高的加速器。
杨振宁院士所讨论的环形正负电子对撞机(CEPC)就属于这一类加速器,它可以产生拥有巨大能量的离子束,从而有可能大量产生稀有的粒子,帮助人类进一步研究物质的本质并完善现有的物理理论体系。我们相信,不管结果如何,未来在粒子物理与原子核物理领域中,中国必定大有可为。
来源:知识就是力量公众号