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last_modified: "2026-10-24"
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[原子核怎样反应与组织](https://sandboxphysics.com/zh/stories/nuclear-particle/#nuclear)

原子核 · 粒子 · 实验

# 用实验室的质子束打散锂核

锂靶上的几点闪光，怎样证明人工加速的粒子改造了原子核？

Sandbox Physics · 2026-10-24

诺奖贡献：1951-1

## 换一种信号去找

1932年，剑桥卡文迪许实验室的科克罗夫特和瓦尔顿已经能把人工加速的质子射向锂。早先他们寻找伽马射线，没有得到明确的核反应信号。再做这件事时，两人改找从靶子里飞出的重带电粒子。粒子撞上硫化锌屏，就会闪一下。质子加速到相当于125千伏的能量时，瓦尔顿看到了熟悉的闪烁。

这台机器让核实验多了一种主动性。天然放射源给什么能量，实验者就只能用什么能量；人工束流可以改变入射能量，也能选择靶子。可要做到这一点，必须有质子源、能维持住的高电压、不会击穿的加速管，以及让质子顺利飞到锂靶的真空。每个环节都得工作。

瓦尔顿在装置工程上做了关键工作。倍压电路把多个充电阶段接起来，逐步得到很高的直流电压。机器的意义，在于稳定制造一束能触发核反应、又能调节的质子。1932年的观察过去近二十年，两人于1951年因人工加速粒子引起核嬗变的先驱工作获奖。

来源：[2] [3]

## 云母窗先挡住了一个解释

屏上闪一下，还不能立刻知道靶子里发生了什么。也许质子只是被散射过来，撞到了屏。实验在观察方向放了云母窗，厚度足以挡住那些入射质子。能够穿出来的粒子，射程明显更长。再在途中加吸收材料，测它们走得多远，就能推算能量。

这些产物表现得像阿尔法粒子，也就是氦原子核。科克罗夫特后来回忆，他们甚至用两块屏、两个人配合，粗略确认粒子会成对飞出。更好的测量把它们对应到这样一个过程：锂-7吸收一个质子，随后变成两个氦-4核。把反应前后的质子和中子数一数，就容易看清：合起来的四个质子、四个中子，最后分到两个氦核里。

产物的动能远比入射质子带来的多。科克罗夫特在历史讲稿中给出的数值，是每个阿尔法粒子约860万电子伏特，合计约1720万电子伏特。这是当时测量与叙述中的历史值。多出的能量来自末态的核结合更紧、质量更低。加速器负责把反应发动起来，无须包办产物最后带走的全部能量。

成对产物还让动量关系显出来。跟两个高速产物相比，入射质子带来的动量较小，两个阿尔法粒子便大体朝相反方向离开；初态整体还在运动，实验室里不会严格等同于完全静止后向两边分开。认出彼此相关的产物，比只数到辐射变多更具体：它把锂靶和某一种核反应连到了一起。

来源：[1] [2]

## 不必翻过电势垒的最高处

入射能量可以这样低，背后还有量子物理的道理。质子带正电，靠近同样带正电的锂核时会被排斥。若只按经典小球来想，能量不够就得掉头，无法走近到强核力起作用的地方。量子理论把粒子描述成波，波能穿入有限厚度的势垒，让粒子有一定机会出现在另一边。这叫隧穿。

伽莫夫以及独立工作的格尼、康登，曾用隧穿解释阿尔法粒子怎样从核里逃出来。科克罗夫特与伽莫夫讨论了反过来的问题：一个质子能有多大机会钻进轻原子核？估算说明，实验室能做到的电压也许已经足够。后来测到的阿尔法粒子，把加速器、核反应和量子预言接到了一起。

不同原子核的电斥力强弱不同，可以打开的反应通道也不同，锂的成功并不保证照什么都有效。但它示范了一套后来广泛使用的办法：制造束流，调节能量，再从产物判断核内发生了什么。高电压变成了主动提问的工具，离开靶子的两个氦核给出了回答。

来源：[2] [3]

## 来源与阅读说明

1. [J. D. Cockcroft and E. T. S. Walton, Disintegration of Lithium by Swift Protons, Nature 129, 649 (1932)](https://doi.org/10.1038/129649a0)

   首份报告介绍加速质子轰击锂后出现的长射程粒子，以及挡住散射质子的云母窗。

2. [John D. Cockcroft, Experiments on the interaction of high-speed nucleons with atomic nuclei (Nobel Lecture, 1951)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/cockcroft-lecture.pdf)

   科克罗夫特回顾125千伏时的首次观察、闪烁、成对阿尔法粒子与当年的17.2兆电子伏特估计。

3. [Ernest T. S. Walton, The artificial production of fast particles (Nobel Lecture, 1951)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/walton-lecture.pdf)

   瓦尔顿说明加速器工程问题，以及倍压装置的发展。

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