物理学家和他们的故事 劳伦斯

劳伦斯

一、生平简介
劳伦斯博士Ernest Orlando Lawrence(1901—1958)是美国著名的物理学家、回旋加速器的发明者，1901年8月8日出生于美国达科他州南部的坎顿。劳伦斯的祖父是一位教师，于1846年从娜威的特勒马克移民到美国威斯康星州；父亲毕业于威斯康星州立大学，先后在南达科他的州、市、县任过公共学校的督学，1919年后任师范学院院长；母亲也是一位教师。
幼年时代，劳伦斯进入南达科他州的坎顿和皮尔的国民学校学习。1917年，年仅16岁的劳伦斯就完成中学学业，随即升入诺思菲尔德的圣奥拉伏学院。一年后他转学到南达科他大学，在电工程教授阿克利(L．E．Akeley)指导下，开始对物理学发生兴趣，而阿克利教授也看出他具有科学的倾向性。1922年大学毕业后，受到图夫(M．Tuve)的鼓励到明尼苏达大学注册，成为研究院学生。他后来进入耶鲁大学学习，1925年取得博士学位，毕业后留校当助教。1928年劳伦斯为了有更多的机会进行深入而广泛的物理学研究，前往加利福尼亚大学工作和学习，两年后成为加利福尼亚大学最年轻的教授。1936年任加利福尼亚大学福射实验室（劳伦斯辐射实验室）主任。1939年荣获诺贝尔物理学奖。1941年起参加美国曼哈顿原子弹计划的领导工作。1957年获美国原子能委员会费米奖金。
1932年，劳伦斯与耶鲁医学院名誉教务长的女儿布卢默(M．K．Blumer)结婚，生有两男四女。
劳伦斯的生活节奏很快，不知疲倦，他总是一位鼓舞人心的领导者。1958年，他作为美国代表，去日内瓦参加了西方和苏维埃集团科学家的会议，讨论了核试验检测方法。在这次会谈期间，劳伦斯病倒了，在他回到加利福尼亚后一个月于1958年8月27日劳伦斯在加州帕洛河阿托去世，终年57岁。1961年美国一个研究小组在劳伦斯曾经工作过的实验室里发现了一种新的元素，也就是第103号元素，人们为了纪念劳伦斯，把它叫他“铹”。
二、科学成就
劳伦斯在物理学中主要贡献是发现了回旋加速器原理，领导建造了世界上第一台回旋加速器，为进行了人工可控核反应提供了强有力的工具，大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。
物理学家爱丁顿(1882—1944)曾经提出了一个设想，认为人类可以建造一种能量很高的仪器，能使原子核发生象太阳内部核反应一样的反应。在爱丁顿的提议下，劳伦斯开始研制加速器。劳伦斯首先想到电动机的原理，普通的电动机是靠转子中通电流来实现在磁场中旋转的，那么能不能不用转子，直接让运动电荷代替电流来实现在磁场中旋转呢？劳伦斯以惊人的想象力设计、研制回旋加速器。他不久就

提出了回旋加速器的原理，并且制作出一个象儿童玩具一样精致的回旋加速器模型。他用两个D形空盒拼成一个圆形空腔，中间留一条缝隙，带电粒子在缝隙中由带正、负电的D形盒所形成的电场来加速，进入D形盒后在磁场的作用下旋转，最后带电粒子以很高的能量象炮弹一样从一个出射窗打出来，用来轰击靶原子。1931年劳伦斯和别人合作研制成世界上第一台回旋加速器。1932年他又建造了一台新的回旋加速器，把质子加速到1.2百万电子伏。1936年劳伦斯在加利福尼亚大学伯克莱分校用75吨大磁铁，缠8吨钢丝制成一个大电磁铁，建造了一台大型回旋加速器，打出的氘核速率达每秒4万公里，每秒钟可以打出6亿个氘核粒子。1941年劳伦斯又在伯克莱分校的宪章山上建起了一个更大的加速器，打出的粒子速率接近每秒10万公里，能量达1亿电子伏。
劳伦斯亲自使用回旋加速器研究过多种核反应，相继得到放射性钠、钍、碳-11、铀-233等物质。劳伦斯还在1936年和他弟弟约翰合作用中子来诊治癌症，取得了比X射线效果更好的疗效。1939年用放射性铁对狗进行体内铁的新陈代谢的示踪研究。1940年在劳伦斯实验室中实现了镎和钋的分离，为原子弹的研制提供了原料。1941年后劳伦斯和费米等物理学家一起研制了原子弹。
三、趣闻轶事
1．劳伦斯与奥本海默的分歧
为了战胜法西斯，打赢第二次世界大战，在地平线上出现了更大的核裂变原子弹的“曼哈顿计划”。为了避免德国科学家可能抢先研制这种核武器，由纳粹统治区域逃难而来的科学家们便建议美国政府制造这种武器。在伯克莱辐射实验室，劳伦斯和奥本海默被指定为这一事业中执行主要任务的科学家。战后伯克利辐射实验室恢复原来主要的研究项目，包括制造一台184英寸洪量的回旋加速器（实际上是一种新型的加速器，这就是根据密立根提出的原理来制造的同步回旋加速器）洛斯阿拉莫斯实验室仍由加利福尼亚大学管理，并继续从事于武器的研究。后来劳伦斯积极地倡议制造另一更大破坏性的武器，即热核裂变（变称氢弹）。奥本海默反对这种倡议，在所谓美国的合理防务形势问题上他与劳伦斯发生深刻的分歧，因而结束他们长期的友谊。
2．出色的教育家
劳伦斯教授不仅是著名的科学家，对科学事业的发展作过重大的贡献，同时也是一个出色的教育家，培养造就了许多杰出的科学人才。正如1968年度获奖的阿尔瓦雷兹所指出的，“欧内斯特·劳伦斯的影响标志之一就是这样一个事实：我是他那实验室工作人员中第八个获得了科学家所能获得了科学家所能获得的最高荣誉——诺

贝尔奖金——的人。”这八个人中，有四个是劳伦斯的徒弟或合作者，另外四个是以别的方式同“辐射实验室”有联系的。
3．放射医疗的先驱
在1938年4月30日给查德威克的信中，他无法抑制对可能的医学突破的兴奋之情：
关于人工放射性物质和中子在医学研究和临床治疗上的重要作用已毫无疑问，因此我认为您在伦敦的生物物理学方面的朋友，应该建造一台回旋加速器进行这方面的探索。作为一个由于实验仍在进展还需大约一年才能明确地公之于众的。现在不应该提及的例子，我想提一下，目前我的弟弟约翰·劳伦斯正利用放射性磷治疗一名骨髓性白血病患者，取得了显著的效果。最近他一直在研究老鼠的白血病，发现放射性磷不仅被骨骼和淋巴组织有选择性地吸收，而且还被病变的白细胞以不寻常的程度吸收。例如，他发现患病动物每克脾组织所吸收的放射性磷是正常动物每克脾组织所吸收的5倍，这暗示着临床治疗人类疾病的可能性。从一月初开始，在大约两个月的期间内，他给一个白血病患者总共施用了70mC的放射性磷。起先患者的白细胞数为60万，而红细胞数为250万。放射性磷施用不久，白细胞数量稳定下降，骨髓细胞数量比其他细胞数量下降得更快，而红细胞数量稳定地增加到正常值。几周以前，患者的血象已经接近了正常，白细胞总数大约为0.8万，而红细胞数为500万，只有低于0.5%的白细胞被诊断为病变细胞。现在放射性磷治疗已经结束，患者正在被观察随后会出现什么情况。约翰医生和所有医务人员都觉得这位患者对放射性磷的反应是显著的，但是在另一方面，他们觉得还没有证据表明放射性磷已经治愈了这种疾病。恐怕如果我弟弟知道了我向您叙述这些，他一定会责备我的。
劳伦斯对他弟弟的医学研究领会得多么透彻！不用费多少力就能把这段文字为某个医学杂志改写成一篇报道。劳伦斯兄弟开创了放射性物质和中子辐射在治疗癌症中的应用，为放射医学做出了杰出贡献。
4．积极推进加速器的建设
借助回旋力回速器，劳伦斯的研究组在基本粒子研究上取得了突出的成绩。直到1937年。
劳伦斯通过派助手帮助设计回旋加速器，正在对几个欧洲实验室产生重大影响。法国艾伏里的约里奥·居里实验室，和丹麦哥本哈根的尼尔·玻尔研究所都受到了这种影响。通过由劳伦斯培训的两个英国人的存在，利物浦继续从与加利福尼亚的联系中获益。瓦尔克利用铁路和海运，带回一些由伯克莱生产的具有长半衰期的同位素，以便它们的物质可在利物浦进行研究。