粒子回旋加速器（Cyclotron）的原理

请看下图：

这是粒子回旋加速器的原理图。大家知道，物质粒子的尺寸很小，不到一个纳米，肉眼是看不见的；粒子的质量更小，大约只有1.66x10^（-27）千克（Kg）。也就是说，粒子的质量大约在一公斤的亿亿亿分之一，即一公斤的亿分之一的亿分之一的亿分之一，比蚂蚁的小脑袋小多了，比面粉的颗粒小得“不能比”。

上世纪一开局，卢瑟福的原子核模型登上了舞台。实际上，原子的质量，99.99%都集中在原子核里面。也就是说，研究物质的原子必须研究相关的原子核。在上世纪，核物理大兴其道，不是偶然的。

研究原子核特性的一般思路是，用高速带电粒子轰击特定的原子核（叫做“靶”，Target），看看发生了什么。高速粒子从何而来？这是问题的关键。

1929年，年仅28岁的劳伦斯（E.Lawrence）发明了粒子回旋加速器（Cyclotron）。真是天才也！劳伦斯有什么妙招呢？我们设想，让一个玻璃球在脸盆里面旋转起来，这种游戏孩子们都会玩。那么，让一颗比灰尘还要小的粒子怎么快速旋转起来呢？这就要请教“电动力学”（Electrodynamics）大师了。荷兰物理学家罗伦兹（H.A.Lorentz1853-1928）创立了罗伦兹变换（爱恩斯坦相对论的数学基础），并且发现所谓“罗伦兹力”（Lorentz'sforce），也就是说，一个带电粒子在磁场中运动会受到一种作用力（罗伦兹力），致使该带电粒子在运动中发生连续不断的“偏转”，最终形成一个“圆圈”。

劳伦斯就是巧妙地利用罗伦兹力，使粒子在真空环境中高速旋转起来，再用两个快速变换极性的“D”形电极，一次又一次地给粒子“加油”，让粒子越跑越快，旋转半径越来越大，最后使其“出局”，击中“靶心”，让实验员观察轰击特定原子核（“靶心”）的结果。

我们不要小瞧粒子回旋加速器的威力。它可以把带电粒子加速到每秒数万公里的高速度，堪比光速，其能量足以击碎原子核。罗伦斯的粒子回旋加速器，将粒子加速到接近光速的程度，粒子的动态质量会不断增加，引出相对论“效应”。下回，我们还得讲一讲爱恩斯坦相对论的基本原理。

袁萌元月28日

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