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[物理史] 范德格拉夫起电器获得了专利

2020-06-10863



(译自APS News,2011年2月)

[物理史] 范德格拉夫起电器获得了专利

范德格拉夫起电器(Van de Graaff generator)

许多参观科学博物馆的人都曾看到过范德格拉夫起电器,这奇妙的机器是实验室和科学博览会中动手做实验主要的装置,它总是让参观者惊喜连连,因为会产生「闪电」,或当他们碰触其标誌的中空金属球平滑的球面时,他们的毛髮会竖立起来。但没甚幺人知道最先发明此机器的人─范德格拉夫(Robert Jemison Van de Graaff)的事蹟。

范德格拉夫出生在美国阿拉巴马州塔城(Tuscaloosa, Alabama),在阿拉巴马大学获得机械工程学学位与硕士。范德格拉夫在阿拉巴马电力公司工作 1 年,之后到巴黎索邦学院(Sorbonne,现为巴黎大学)研读,在那裏上过居里夫人的辐射课程。他接着获得了罗德奖学金(Rhodes Scholarship),于 1926 年在牛津大学转习物理,获得了第二个学士,1928 年完成博士学位。

当范德格拉夫在牛津时,他接触到拉塞福的核物理研究,以及拉塞福的构想,认为将粒子加速到极高速可以使原子核裂解,让科学家可因此更进一步研究每个原子的本质。

范德格拉夫于 1929 年将粒子加速器的观念带回美国,他那时到美国普林斯顿巴摩物理实验室任职。他在那裏建造了一可运行的「静电加速器」模型,可以产生 8 万伏特。那部基本的原型使用当地廉价商店所卖的丝带当做电荷传输带,在 2 个金属滑轮组间传动。

到了 1931 年 11 月,他已大幅改进了他的设计,可以产生 1 百多万伏特,并在美国物理协会的开幕晚宴上示範了他的装置。同年,他还在美国物理学会的会议上发表了他静电加速器的论文。

范德格拉夫并非从事此研究唯一的科学家,事实上,此基本的概念要追朔到范德格拉夫之前 250 多年。大约 1663 年,范格里克(Otto von Guericke)建造了一简单的摩擦生电机器,使用硫磺球,将之转动,再以手磨搓。(牛顿在他《光学》书中建议将硫磺球改用玻璃)。到了 1785 年,罗兰(N. Rouland)发明了静电起电器,在两个滑轮组间用丝带不断地转动,以产生静电。1893 年,范布希起电器问世,这是一个类似的机器,使用两组滑轮,以及传输带,再加上带有集电梳的绝缘球。

在范德格拉夫模具示範后不久,柯克劳夫(John D.Cockcroft)和沃吞(Ernest Walton)于 1932 年,在英国着名的卡文迪西实验室(Cavendish Laboratory)建造了他们自己设计的粒子加速器,利用电压倍增电路来产生电力。然而,那部机器体积庞大,能产生的伏特量相当有限;范德格拉夫的设计最终证明是机型较小,还可产生较高电压,因此可以更大幅度地加速粒子。

1932 年,范德格拉夫到麻省理工学院任研究员,在那裏开始建造他的大型机器。他的整个机器安置在麻省南达特茅斯(South Dartmouth, MA)当地一个空的飞机棚裏,夸称有两个擦亮的铝球体,架在绝缘的圆柱上;而那些圆柱则依序放置在卡车上,以让球体离地面 43 呎高。

范德格拉夫于 1933 年 11 月 28 日首度公开他的发明,它产生了惊人的 7 百万伏特(当时而言),登上了头版头条新闻。(公开示範的较小型范德格拉夫起电器只产生 10-50 万伏特。)范德格拉夫起电器于 1935 年 2 月获得了专利。

交流电之父特式拉(Nikola Tesla)高度讚美此机器,他于 1934 年在《科学美国人》(Scientific American)杂誌写了一篇有关范德格拉夫新式起电器的文章,表示说:「我认为当新式的起电器开发并大幅改良后,前景肯定无限看好。」特士拉正如以往有先见之明:此起电器不仅一直使用于原子物理,还应用于医学和工业方面。

哈佛医学院是第一个于 1937 年临床使用他的机器,以产生 X 射线,做为放射治疗恶性肿瘤之用。1937 年的巴黎世界博览会在约里奥(Frédéric Joliot,居里夫人的长女婿,夫妇两人于 1935 年同获诺贝尔化学奖。)的指导下,将一个大型的范德格拉夫起电器安装于巴黎的科学博物馆,罩在有静电屏蔽的巨大法拉第笼中。观众都被那机器所产生的数公尺长的火花所震慑,它初次展出即有几个杂誌做封面专栏报导。原来打算要利用此机器做为放射元素的来源,但爆发了第二次世界大战,以致机器终被拆解。

战争中,范德格拉夫担任美国科学研发总署中的高压放射线摄影计画主任,为美国海军改造他的静电起电器。战争一结束,他即回到麻省理工学院和川普(John G. Trump)共创高压工程公司(HVEC)。高压工程公司很快即成为静电产生器的主要供应商,应用于癌症治疗、放射线摄影、以及科学实验室中核结构的研究。

串联的范德格拉夫加速器最先于 1951 年问世,它源于本内特(William Bennett)于 1937 年串联原则的早期研究。同时在 1950 年代,范德格拉夫发明了核心绝缘的变压器,使用磁通量来取代静电荷,以生产高压直流电,以及许多控制粒子束的新方法。范德格拉夫在麻省理工学院任职到 1960 年,之后他辞职,全心投入高压工程公司的工作。

1966 年,范德格拉夫因他的「巨不可计地推进了核物理的机器」,而获得了美国物理学会朋那奖(Tom W. Bonner Prize)。此奖项对他来说特别合适,因为朋那自己也使用范德格拉夫起电器在他核物理结构的基础研究上。当范德格拉夫 65 岁,于 1967 年 1 月 16 日在波士顿过世时,全球 30 多国一共有 500 多部范德格拉夫粒子加速器。


原文刊载于物理双月刊2014年2月号36卷第1期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。