楊子軒 姚 芳

(1. 首都師范大學(xué)物理系,北京 100048; 2. 首都師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,北京 100048)

1 個(gè)人生平

約翰·道格拉斯·考克饒夫(John Douglas Cockcroft,1897—1967)(如圖1),于1897年5月27日出生于英格蘭約克郡西區(qū)的托德莫登,他的父親約翰·亞瑟·考克饒夫(John Arthur Cockcroft)是一家工廠老板，約翰是他們5個(gè)兒子中的長子.

圖1 約翰·考克饒夫

約15世紀(jì),考克饒夫家族以農(nóng)民的身份定居在蘭開夏郡和約克郡邊境的托德莫登.在自給自足的農(nóng)業(yè)時(shí)代,他們生產(chǎn)并紡織自產(chǎn)的羊毛,編織自產(chǎn)的粗布.到了16世紀(jì),該地區(qū)的一些居民主要是手工織布機(jī)織工.他們制造的淺色且廉價(jià)和色彩艷麗的材料在歐洲大陸和美洲都有現(xiàn)成的市場.十七世紀(jì)初,這些工人們編織從黎凡特進(jìn)口的棉花,且編織過程中與亞麻混合.純棉布直到18世紀(jì)中葉才被生產(chǎn)出來,并成為紡織機(jī)械發(fā)展之后最重要的原料[1].在手工織機(jī)被動力織機(jī)所取代之前,考克饒夫家族一直在卡爾德河谷從事紡織業(yè).在動力織機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)以后,1846年由考克饒夫家族在托德莫登建立了一座新的工廠,并雇傭許多工人.1899年,他們搬到沃爾斯頓的伯爾克斯磨坊.

考克饒夫家族的生意在遭受了19世紀(jì)末期嚴(yán)重的財(cái)政困難之前,一直很興旺.在妻子A.M.考克饒夫的有力協(xié)助下,老考克饒夫開始了重建公司財(cái)富的這個(gè)艱巨而漫長的任務(wù).考克饒夫夫人原本是一個(gè)棉花制造商的女兒,但在當(dāng)時(shí)她不得不在經(jīng)濟(jì)拮據(jù)的情況下獨(dú)自一人撫養(yǎng)5個(gè)兒子,她的丈夫則在磨坊里苦苦工作. 約翰·考克饒夫的父親給他的孩子們灌輸了扎實(shí)的商業(yè)原理和編織技術(shù)知識,母親是一位有音樂才能的聰明女人,她的良好性格對她的兒子們的日后性格的形成有很大影響.

童年時(shí),約翰·考克饒夫?qū)δシ坏臋C(jī)器產(chǎn)生了濃厚的興趣.他喜歡在彭寧山脈上散步,體現(xiàn)了他性格中沉穩(wěn)的一面.在后來的歲月里,他經(jīng)常在阿爾卑斯山、在英國和加拿大的研究機(jī)構(gòu)周圍的曠野,或者在鄉(xiāng)間小屋附近的沼澤地邊散步.在他的一生中,他從戶外散步和聽音樂中獲得了精神上的慰藉.

1901年至1908年,他就讀于沃爾斯登的英格蘭教會學(xué)校,分別在1908年至1909年以及1909年至1914年就讀于托德莫登小學(xué)和托德莫登中學(xué).他在中學(xué)期間,閱讀了約瑟夫·約翰·湯姆遜(Thomson,Joseph John，1856—1940)和盧瑟福(Ernest Rutherford,1st Baron Rutherford of Nelson,1871—1937)等人的著作,這給予了他極大的熱情去投入科研工作.考克饒夫于1914年中學(xué)畢業(yè)后獲得國家級獎(jiǎng)學(xué)金并進(jìn)入曼徹斯特大學(xué),師從英國數(shù)學(xué)家賀拉斯·蘭姆(Horace Lamb,1849—1934).但很可惜他太年輕了,無法像高年級同學(xué)那樣領(lǐng)悟到更多的知識,也沒有展示出優(yōu)秀的數(shù)學(xué)能力.他還選擇參加第一年的物理講座,最初的講師并沒有維持好課堂秩序,所以盧瑟福不得不親自接手.盧瑟福給年輕的考克饒夫留下了深刻的印象——一種偉大和甘于獻(xiàn)身于物理學(xué)的印象.[1]

第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)于1914年8月.1915年夏天,考克饒夫在大學(xué)學(xué)習(xí)僅1年后,便自愿服役.在暑假期間,他在威爾士的基督教青年會工作.1915年11月24日,他加入英軍.1916年3月29日,他進(jìn)入了皇家野戰(zhàn)炮兵第59訓(xùn)練旅,該旅是西線第20師(輕型師)的單位在那里他成為一名通信兵,然后被派往第92野戰(zhàn)炮兵旅B炮位,考克饒夫參加了到興登堡防線之戰(zhàn)和第3次伊普爾戰(zhàn)役.他于1918年2月被派往布萊頓(Brighton)學(xué)習(xí)槍炮知識,于1918年4月被派往北安普敦郡威登貝克的軍官候選學(xué)校,并在那里接受了野戰(zhàn)炮兵的訓(xùn)練.1918年10月17日,他被任命為皇家野戰(zhàn)炮兵中尉.戰(zhàn)爭結(jié)束后,考克饒夫于1919年1月從陸軍退伍.[2]考克饒夫很少提及他這段生活,對他最親密的朋友也不例外.他堅(jiān)韌的品質(zhì),再加上他專注于手頭任務(wù)的能力,使他在血腥的戰(zhàn)爭中毫發(fā)無傷,但這段經(jīng)歷卻使他對戰(zhàn)爭產(chǎn)生了深深的仇恨.第二次世界大戰(zhàn)之后,他積極地倡導(dǎo)裁軍,并在為解決國際爭端尋求更為理智的方法.

退伍后,他沒有回到大學(xué)的自然科學(xué)系,而是進(jìn)入曼徹斯特大學(xué)理工學(xué)院學(xué)習(xí)電氣工程,可能是因?yàn)樽鳛橥ㄐ艈T他對這個(gè)學(xué)科產(chǎn)生了濃厚的興趣.1920年,他成為大都會維克斯電氣公司的大學(xué)生學(xué)徒.由于他已經(jīng)在曼徹斯特大學(xué)完成了一年的課程,因此可以跳過第一年的學(xué)業(yè)課程.他于1920年6月獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位.在電氣工程教授邁爾斯·沃克(Miles Walker,1868—1941)的指導(dǎo)下,他在研究部門從事了一些工作.他于1922年6月提交了有關(guān)交流電諧波分析的碩士學(xué)位論文.于1922年獲得了理學(xué)碩士學(xué)位,在沃克的建議下,他前往劍橋圣約翰學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),于1924年6月獲得了文學(xué)學(xué)士學(xué)位.

此后,沃克為他申請劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院的學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金.考克饒夫成功地獲得了30英鎊獎(jiǎng)學(xué)金和20英鎊的助學(xué)金.大都會維克斯公司給他50英鎊建議他完成學(xué)業(yè)后回來就職.此后,沃克為考克饒夫?qū)懥艘环馔扑]信給盧瑟福,盧瑟福收到信后,鼓勵(lì)他盡可能多地從數(shù)學(xué)中抽出時(shí)間去上物理課并進(jìn)行實(shí)踐.

爾后,考克饒夫成為了歐內(nèi)斯特·盧瑟福在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生,考克饒夫在盧瑟福的指導(dǎo)下獲得了博士學(xué)位.在歐內(nèi)斯特·沃爾頓(Ernest Thomas Sinton Walton,1903—1995)和馬克·奧利芬特(Mark Oliphant,1907—2000)的幫助下,他制造了后來被稱為考克饒夫-沃爾頓加速器.考克饒夫和沃爾頓用它來進(jìn)行原子核的第一次人工分解,這一壯舉通常被稱為分裂原子.

二戰(zhàn)結(jié)束后,考克饒夫成為哈威爾(Harwell)原子能研究機(jī)構(gòu)(Atomic Energy Research Establishment, AERE)的負(fù)責(zé)人,低功率且?guī)瘎┑膶?shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆于1947年8月15日投入使用,成為西歐運(yùn)營的第一座核反應(yīng)堆.哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)參與了反應(yīng)堆的和化學(xué)分離工廠的設(shè)計(jì)工作.在考克饒夫的指導(dǎo)下,哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)參與了前沿聚變研究.

1951年,約翰·考克饒夫與歐內(nèi)斯特·沃爾頓分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).他們第1次以人工方式實(shí)現(xiàn)原子核嬗變,為核物理發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn).

1959年到1967年期間,擔(dān)任劍橋丘吉爾學(xué)院的院長. 1961年至1965年,任職堪培拉澳大利亞國立大學(xué)的名譽(yù)校長.

1967年9月18日,這位70歲的老人在劍橋去世.

2 學(xué)術(shù)成就:核物理研究

歐內(nèi)斯特·盧瑟福接受了邁爾斯·沃克的推薦,接受了考克饒夫作為的他的學(xué)生在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室,此時(shí)，考克饒夫成為了大都會維克斯公司的研究主任.考克饒夫于1924年博士入學(xué),在盧瑟福的指導(dǎo)下,他撰寫了博士學(xué)位論文“關(guān)于在表面上分子流的凝結(jié)發(fā)生的現(xiàn)象”,發(fā)表在《皇家學(xué)會學(xué)報(bào)》上,他于1925年9月6日獲得博士學(xué)位.在此期間,他也是俄裔物理學(xué)家彼得·卡皮查(Peter Kapitza,1894—1984)的助手,從事在極低溫下磁場物理學(xué)的工作,二人合力設(shè)計(jì)和建造了氦氣液化器.

1919年,盧瑟福成功地分解了氮原子核,發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子.此實(shí)驗(yàn)和隨后的實(shí)驗(yàn)揭示了原子核的結(jié)構(gòu).要想進(jìn)一步探索,他需要一種人工手段來制造具有高速且足以克服原子核束縛的粒子.這為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室開辟了一條新的研究道路.他指派考克饒夫和歐內(nèi)斯特·沃爾頓來解決這個(gè)問題.隨后他們制造了Cockcroft-walton加速器.馬克·奧利芬特為他們設(shè)計(jì)了一個(gè)質(zhì)子源.考克饒夫閱讀了喬治·伽莫夫(George Gamow,1904—1968)關(guān)于量子隧穿的論文,他意識到,由于隧穿效應(yīng),可以用比最初想象的低得多的電壓來實(shí)現(xiàn)所需的效果.實(shí)際上,他計(jì)算出,能量僅為30萬電子伏特的質(zhì)子將能夠穿透硼核.考克饒夫和沃爾頓在接下來的兩年中一直致力于加速器的研究.[2]盧瑟福從劍橋大學(xué)獲得了1000英鎊的贈款,用于他們購買所需的變壓器和其他設(shè)備.他與邁爾斯·沃克的工作于1925年發(fā)表,涉及商用電源頻率上的電壓和電流波形的諧波分析,隨后發(fā)表了另外兩篇論文,描述了電導(dǎo)體邊界效應(yīng)的一些詳細(xì)研究.截止到那時(shí),考克饒夫已經(jīng)對電氣工程的某些方面有了深刻的了解,并擁有一些強(qiáng)大的理論支撐.他設(shè)計(jì)了效率極高的電磁線圈,從而最大程度地減小了應(yīng)力,幫助了在劍橋的俄裔物理學(xué)家彼得·卡皮查進(jìn)行強(qiáng)磁場的研究.后來,他為盧瑟福設(shè)計(jì)了用于α射線光譜學(xué)的電磁體和用于β射線光譜學(xué)的永磁體.在閱讀奧托·斯特恩(Otto Stern,1888—1969)的著作之后,考克饒夫還對分子束的性質(zhì)進(jìn)行了研究.這項(xiàng)工作發(fā)表于1928年,為真空技術(shù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn).1928年11月5日,考克饒夫當(dāng)選為圣約翰學(xué)院院士.

1930年利用建造的第一臺儀器,考克饒夫與沃爾頓從陽極射線管中產(chǎn)生質(zhì)子束,并用電壓把它們加速到280 kV,使其轟擊了鋰靶和其他元素靶,用金箔驗(yàn)電器檢測γ射線，然而沒有發(fā)現(xiàn)γ射線.正如我們現(xiàn)在所知道的,所用質(zhì)子的能量遠(yuǎn)低于引起γ射線發(fā)射的最低共振能量.就此,決定提高質(zhì)子的能量.由于實(shí)驗(yàn)室需要搬遷,他們中斷了工作.[3]

圖2 考克饒夫(左)與伽莫夫在討論

1930年,為獲得高速粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn).考克饒夫認(rèn)為，在原子核問題上發(fā)展出一條新的研究路線非常重要.關(guān)于核結(jié)構(gòu)的絕大部分信息來源于α粒子的實(shí)驗(yàn),如果我們可以用高電位加速的正離子源進(jìn)行補(bǔ)充,我們就可以擁有一種比α粒子具有更多優(yōu)勢的實(shí)驗(yàn)粒子.它的強(qiáng)度要比α粒子源的強(qiáng)度大,就粒子數(shù)量而言,一微安正離子與180克鐳等量.此外,速度可隨意變化.這一點(diǎn)在許多實(shí)驗(yàn)中曾是一個(gè)復(fù)雜的問題.

當(dāng)然,獲得這種粒子的主要困難在于,如果要獲得接近α粒子的速度,則需要非常高的電勢并用來加速粒子.例如,來自釙的α粒子具有的能量約為520萬電子伏特,需要260萬伏特的電壓才能賦予氦核等量的能量.因此,必須確定有效工作的最小加速電壓是多少,隨著電壓的升高,實(shí)驗(yàn)難度也會增加.[4]

在先前的實(shí)驗(yàn)中,考克饒夫掌握了用高達(dá)300千伏電壓獲取質(zhì)子的方法.建立了一個(gè)可以獲得該階穩(wěn)態(tài)電位的整流器系統(tǒng),并提出了加速氫放電管中質(zhì)子的方法.

使用該裝置,研究以確定氫的質(zhì)子對物質(zhì)的撞擊是否產(chǎn)生了相當(dāng)強(qiáng)度的X射線或γ射線.結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)排除所有次級影響時(shí),如果產(chǎn)生任何這樣的輻射,其強(qiáng)度可與實(shí)驗(yàn)誤差極限相媲美,并且強(qiáng)度肯定不大于由相同能量的相等電子源產(chǎn)生的連續(xù)X射線強(qiáng)度的百萬分之一.由于任何輻射的強(qiáng)度都會隨著離子能量的增加而迅速增加,很明顯,為了獲得有意義的結(jié)果,必須使用更高的電壓.此實(shí)驗(yàn)中使用的方法是先前論文中所嘗試的方法的擴(kuò)展.已經(jīng)研發(fā)出使用熱離子整流器和冷凝器的高電壓源,該裝置能夠產(chǎn)生80萬伏的穩(wěn)定電壓.該電壓被施加到加速質(zhì)子實(shí)驗(yàn)管軸的兩端.質(zhì)子可以通過云母窗進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)室中.到目前為止,已經(jīng)能夠使用能量高達(dá)71萬電子伏特的質(zhì)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn).[5]

后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明,能量高于15萬電子伏特的質(zhì)子能夠分解大量元素.過去,以α粒子流作為轟擊粒子進(jìn)行了人工分解實(shí)驗(yàn).核嬗變后通常產(chǎn)生質(zhì)子,在某些情況下也會產(chǎn)生γ射線. 而今,在質(zhì)子轟擊下,α粒子卻從許多元素中發(fā)射出來.因此,分解過程在某種意義上與α粒子轟擊粒子是相反的過程.[6]

兩個(gè)粒子同時(shí)以相反的方向同時(shí)噴射,每個(gè)粒子的能量為8.6 MEV.這是通過人工手段進(jìn)行的首次核反應(yīng).轟擊硼和氟等其他元素時(shí)也觀察到類似的效果.這個(gè)壯舉通常被稱為分裂原子.為此,考克饒夫和沃爾頓于1938年獲得了休斯獎(jiǎng)?wù)?并于1951年共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

考克饒夫和沃爾頓在人工加速帶電粒子的領(lǐng)域作出突破性的貢獻(xiàn)絕非偶然.用天然的α粒子作為炮彈轟擊靶粒子,只能使有限的幾種輕原子發(fā)生蛻變,可以實(shí)現(xiàn)蛻變的范圍很受限制,能否實(shí)現(xiàn)人工的核嬗變在于人工加速帶電粒子,把帶電粒子加速到足夠高的能量,再用這些高能粒子作為炮彈轟擊靶子以產(chǎn)生核蛻變.他們克服了巨大的困難才得以在1932年初率先作出了第一個(gè)人工蛻變實(shí)驗(yàn).他們首先要建造升壓設(shè)備,把電壓從變壓器引出,經(jīng)特制的整流器和電壓倍加器,倍加到60萬伏的直流電壓.他們自制了特殊的放電管,加上高電壓,使質(zhì)子加速到前所未見的高速,打到特制的靶粒子上.就這樣他們第一次實(shí)現(xiàn)了完全在人工控制之下產(chǎn)生的核蛻變.[8]

圖3 考克饒夫-沃爾頓倍壓電路

與此同時(shí),歐內(nèi)斯特·勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence,1901—1958)正在加利福尼亞大學(xué)建造另一種用于加速質(zhì)子的裝置,即回旋加速器,他們很快就能確認(rèn)考克饒夫和沃爾頓的結(jié)果.通過向電壓倍增器增加電壓,Cockcroft—Walton實(shí)驗(yàn)的束能量可以增加到大約3 MEV,而回旋加速器能夠達(dá)到更高的能量.考克饒夫和沃爾頓非常了解加速器的局限性,他們希望盧瑟福為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室購得回旋加速器.購得的回旋加速器于1938年10月投入使用,奧利芬特認(rèn)為這臺回旋加速器不夠大,并開始在伯明翰大學(xué)建造更大的60英寸回旋加速器. 1939年第二次世界大戰(zhàn)在歐洲爆發(fā),它的建造被推遲了,即使戰(zhàn)后建造完成,也早已過時(shí).

此后,他們繼續(xù)利用質(zhì)子,氘核和α粒子分解碳,氮和氧.他們證明這些元素產(chǎn)生了放射性同位素,包括碳11和氮13.考克饒夫和沃爾頓系統(tǒng)地研究了諸如6Li蛻變?yōu)?Li,10B蛻變?yōu)?1B,12C蛻變?yōu)?3C,它們都同時(shí)會發(fā)射出質(zhì)子.[8]

勞倫斯等人的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)大了核研究領(lǐng)域,他們首先使用氫的重同位素離子產(chǎn)生核分解.實(shí)驗(yàn)表明,氘核導(dǎo)致的分解比具有相同能量的質(zhì)子產(chǎn)生的分解要復(fù)雜得多.因此,勞倫斯報(bào)告說,大多數(shù)被轟擊的物質(zhì)都發(fā)射出一組或多組質(zhì)子,而一組質(zhì)子的射程約為18 cm.這一令人驚訝的結(jié)果使他們得出這樣的假設(shè):氘核在強(qiáng)核場中不穩(wěn)定,并且分解成質(zhì)子和中子,釋放出約500萬電子伏特的能量.除了發(fā)射遠(yuǎn)距離質(zhì)子外,勞倫斯從鋰,鈹,硼,氮,鎂和鋁中也發(fā)現(xiàn)了發(fā)射出的α粒子.[9]這些實(shí)驗(yàn)得到了狄(Philip Ivor Dee,1904—1983) 的大力支持,他是由盧瑟福從他與威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson,1869—1959)進(jìn)行的云霧室工作中抽調(diào)過來,加入到這一充滿希望的新領(lǐng)域中.狄和沃爾頓將威爾遜云霧室安裝在加速管下面,并讓質(zhì)子通過其讓α粒子從小云母窗進(jìn)入云霧室.[3]利用照相機(jī)獲得了用質(zhì)子和氘核分別轟擊鋰時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)α粒子沿相反方向運(yùn)動徑跡的美麗照片,在照片中測量空間產(chǎn)生的徑跡,確定了蛻變的過程.[10]

1932年,對卡文迪許實(shí)驗(yàn)室來說是杰出的一年,詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子.1933年,考克饒夫和沃爾頓用氘核轟擊了鋰,硼和碳.1934年,伊雷娜·約里奧-居里(Irène Joliot-Curie,1897—1956)和讓·弗雷德里克·約里奧-居里(Jean Frédéric Joliot-Curie,1900—1958)發(fā)現(xiàn)人工放射性后,他們證明了,用α粒子轟擊硼,鎂和鋁后,放出正電子. 通過化學(xué)測試,他們進(jìn)一步能夠證明放射性的產(chǎn)生是由于形成了新的放射性同位素,即放射性硅,放射性氮和放射性磷,它們的半衰期分別為14.5、2.5和3.25 min.他們認(rèn)為有其他方式可以產(chǎn)生這些放射性同位素,尤其是通過氘核轟擊碳來產(chǎn)生相同的放射性氮.考克饒夫和沃爾頓證明,放射性核是將硼和碳暴露于質(zhì)子和氘核束中產(chǎn)生的.最后,考克饒夫通過質(zhì)子和氘核分解硼進(jìn)行了更詳細(xì)的研究.[11]

對硼進(jìn)行轟擊的實(shí)驗(yàn)表明,對于50萬電子伏特能量的氘核,存在3個(gè)質(zhì)子組,范圍分別為31、58和92 cm.他們還展示了5-10 cm范圍內(nèi)α粒子的連續(xù)分布狀態(tài),發(fā)現(xiàn)該分布在約9 cm處具有最大值.還有跡象表明在分布的末尾有一組均勻的α粒子,但是獲得的粒子數(shù)量不足以確定其存在.通過這些實(shí)驗(yàn),考克饒夫等人已經(jīng)能夠獲得純度更高的重氫,并提高了質(zhì)子源的性能,從而以更高的精度確定α粒子的能量分布.通過對的質(zhì)子束進(jìn)行磁分析獲得了進(jìn)一步的改進(jìn),因?yàn)樵谧畛醯馁|(zhì)子和氘核混合束實(shí)驗(yàn)中,氘核嬗變產(chǎn)生的范圍小于4 cm的α粒子被大量質(zhì)子分解出的α粒子掩蓋了.[12]

1929年,考克饒夫被任命為圣約翰學(xué)院機(jī)械科學(xué)系的主管.又于1931年被任命為物理系主管,于1933年成為初級財(cái)務(wù)主管,主要負(fù)責(zé)那些被忽視的古建筑.為了修護(hù)蛀蟲造成的建筑的損壞,必須拆除部分大學(xué)的警衛(wèi)室,考克饒夫負(fù)責(zé)監(jiān)督電子設(shè)備的重新接線. 1935年,盧瑟福任命他接替卡皮查擔(dān)任蒙德實(shí)驗(yàn)室(Mond Laboratory)的研究主任,后者返回蘇聯(lián).他監(jiān)督新的低溫設(shè)備的安裝,并指導(dǎo)低溫物理研究.他于1936年成為皇家學(xué)會會員,并于1939年當(dāng)選為自然哲學(xué)教授.

3 二戰(zhàn)期間的工作

從1935年直到戰(zhàn)爭爆發(fā),盧瑟福親自讓考克饒夫負(fù)責(zé)重建和改造卡文迪許實(shí)驗(yàn)室,工作包括建造回旋加速器.盡管考克饒夫少言寡語,但他總是友善熱情,平易近人,做事情毫不拖拉,沒有任何怨言便接受了這項(xiàng)工作.當(dāng)考克饒夫參與戰(zhàn)爭期間雷達(dá)的開發(fā)時(shí),他的這些品質(zhì)被證明是極其具有價(jià)值的.[13]在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時(shí),考克饒夫擔(dān)任供應(yīng)部科研副主任,負(fù)責(zé)雷達(dá)工作.1938年,亨利·蒂扎德爵士(Henry Tizard,1885—1959)向考克饒夫展示了海岸警戒雷達(dá),這是由皇家空軍建造的沿海預(yù)警雷達(dá)站,用以探測和跟蹤飛機(jī).1940年,考克饒夫成為科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展咨詢委員會的成員.1940年4月,他成為空戰(zhàn)科學(xué)研究委員會的成員,該委員會的成立是為了處理因《費(fèi)里茲-毗艾爾備忘錄》(Frisch-Peierls memorandum)而引起的問題.計(jì)算得出原子彈在技術(shù)上是可行的.后該委員會被穆德委員會(MAUD Committee)代替,考克饒夫也是其成員.1940年6月.該委員會領(lǐng)導(dǎo)了英國原子彈的早期開創(chuàng)性研究.在多個(gè)地方建造了用于探測潛艇和飛機(jī)的雷達(dá)站之后,他于1940年8月作為著名的蒂澤德任務(wù)成員前往美國,進(jìn)行具有軍事意義的科學(xué)技術(shù)的交流.[14]

1940年8月,考克饒夫作為“蒂扎德”任務(wù)的一員前往美國.盡管美國尚未參戰(zhàn),但由于英國開發(fā)了許多新技術(shù),可是缺乏充分利用并發(fā)展這些技術(shù)的能力,因此英國政府派出科研團(tuán)隊(duì)決定與美國交流共享這些技術(shù).在訪問美國期間,雙方團(tuán)隊(duì)交流的信息技術(shù)包含了戰(zhàn)爭期間取得的一些重大科學(xué)進(jìn)展,例如雷達(dá)技術(shù),特別是由伯明翰的奧利芬特團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)過改良的諧振腔式磁控管;近程引信;弗蘭克·惠特爾爵士(Frank Whittle,1907—1996)的噴氣發(fā)動機(jī)和《費(fèi)里茲-毗艾爾備忘錄》,其中詳細(xì)描述了原子彈的可行性.這些技術(shù)十分重要,雙方相互運(yùn)送了許多其他物資,包括炮彈,瞄準(zhǔn)鏡和潛艇探測裝置.交流結(jié)束后,考克饒夫團(tuán)隊(duì)于1940年12月返回英國.

回國后不久,考克饒夫被任命為漢普郡防空研究發(fā)展機(jī)構(gòu)的首席總監(jiān).同年,他成為該委員會的成員,該委員會旨在研究核裂變的可能應(yīng)用.經(jīng)過三年艱苦的雷達(dá)開發(fā)工作,考克饒夫被任命為主任.他的主要研究方向是改進(jìn)雷達(dá).GL.Mk.III雷達(dá)是作為跟蹤和預(yù)報(bào)目標(biāo)而開發(fā)的,但是到1942年,在美國出于相同目的而開發(fā)的SCR-584雷達(dá)問世了,考克饒夫建議根據(jù)租借協(xié)議自行購買,他購買了SCR-584進(jìn)行測試,1943年10月在謝珀島(Isle of Sheppey)進(jìn)行了試驗(yàn),最終證明SCR-584性能更好.這使考克饒夫在補(bǔ)給部非常不受歡迎,盡管如此,他依舊購買了美國的雷達(dá),因?yàn)樗赖聡苏?jì)劃部署V-1導(dǎo)彈.

應(yīng)用近程引信技術(shù)后,英國人設(shè)想如果炮彈在靠近敵機(jī)時(shí)爆炸,那么一次性打擊幾乎與直接打擊同樣有效.這個(gè)技術(shù)遇到的第一個(gè)問題是使雷達(dá)裝置微型化,其二是將炮彈堅(jiān)固到足以從炮管發(fā)射.第二個(gè)問題已由德國人解決.“蒂扎德”任務(wù)團(tuán)隊(duì)向美國團(tuán)隊(duì)提供建議的同時(shí),1942年2月改進(jìn)工作在英國繼續(xù)進(jìn)行.考克饒夫在1943年11月訪問美國時(shí),商討了訂購事宜.于1944年1月16日訂購了15萬門QF 3.7英寸高射炮.這些高射炮及時(shí)投入戰(zhàn)場,并于1944年8月與V-1導(dǎo)彈交火,擊落了97%的V-1導(dǎo)彈.出于此次貢獻(xiàn),考克饒夫于1944年6月獲得大英帝國司令勛章.

1943年8月,《魁北克協(xié)定》將英國納入曼哈頓工程,并成立了聯(lián)合政策委員會來指導(dǎo)曼哈頓工程.1944年5月20日雙方簽訂了最終協(xié)議.在協(xié)定的要求下,美國人將協(xié)助英國人在加拿大建造一座重水減速的核反應(yīng)堆,并將為腐蝕和輻射對材料的影響等問題提供技術(shù)援助.在此期間,蒙特利爾的加拿大原子能研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人是一位管理能力很差的人,與加拿大科研人員的合作并不順利,這個(gè)問題引起了美國的注意,被美國人視為安全隱患.1944年4月,在華盛頓舉行的聯(lián)合政策委員會會議通過,在蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室的非英國國籍的科學(xué)家離開實(shí)驗(yàn)室,而考克饒夫在1944年5月成為蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室的新負(fù)責(zé)人.在這里,他不僅面臨技術(shù)和科學(xué)問題,而且面臨著涉及權(quán)衡加拿大,英國,美國和法國的利益問題.[3]

1944年8月24日,在繼續(xù)建造全規(guī)模核火箭發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(Nuclear rocket engine experimental reactor,NRX)之前,英國人決定建造一個(gè)小型反應(yīng)堆,以測試蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室有關(guān)晶格尺寸,護(hù)套材料和控制桿的計(jì)算是否準(zhǔn)確,此反應(yīng)堆被稱為零能量重水試驗(yàn)反應(yīng)堆(Zero Energy Experimental Pile, ZEEP).加拿大政府選擇在渥太華西北約110英里(180公里)處,在渥太華河南岸的安大略恰克河上選址.在考克饒夫的監(jiān)督指導(dǎo)下,恰克河(Chalk River)實(shí)驗(yàn)室于1944年投入使用,蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室于1946年7月關(guān)閉.[14]ZEEP于1945年9月5日成為美國境外第一座運(yùn)行的核反應(yīng)堆.更大的NRX于1947年7月21日問世,是當(dāng)時(shí)世界上功能最強(qiáng)大的反應(yīng)堆. NRX最初設(shè)計(jì)于1944年7月,輸出功率為8 MW,經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)后將功率提高到10 MW.

圖4 艾倫·梅

1945年9月10日,考克饒夫被告知在Chalk River實(shí)驗(yàn)室的英國物理學(xué)家艾倫·梅(Alan May,1911—2003)是一名蘇聯(lián)間諜,這讓他十分震驚. 1947年8月,考克饒夫與其他科學(xué)家聯(lián)名簽署關(guān)于減少艾倫·梅刑期的請?jiān)笗?

4 戰(zhàn)后工作

考克饒夫于1946年返回英國,擔(dān)任哈威爾(Harwell)新原子能研究機(jī)構(gòu)的主任,一直任職至1959年.在此期間,他對從基礎(chǔ)設(shè)施研究到核電站的建設(shè)發(fā)展方面的工作進(jìn)行了指導(dǎo)和激勵(lì).他特別關(guān)注在哈威爾建造的粒子加速器的一系列情況,并主要負(fù)責(zé)建造7 GEV質(zhì)子同步加速器.

4.1 哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)

1945年4月,考克饒夫和奧利芬特在哈威爾鎮(zhèn)(Harwell)物色了一個(gè)地點(diǎn)來建立原子能研究機(jī)構(gòu).1945年11月9日,考克饒夫被前英國首相克萊門特·理查·艾德禮(Clement Richard Attlee, 1st Earl Attlee,1883—1967)任命為哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人.[13]正式公告于1946年1月29日發(fā)布,但該消息在公告宣布前兩個(gè)月以及加拿大政府被告知之前泄露,造成了外交事故.公告中說明,考克饒夫不得在下一任負(fù)責(zé)人上任前離職，即不得于1946年9月30日前離職.在此期間,他招募了新實(shí)驗(yàn)室的工作人員,這個(gè)全新的工作團(tuán)隊(duì)是英國有史以來規(guī)模最大,最杰出的技術(shù)團(tuán)隊(duì)之一.他最重要的影響在于吸引高質(zhì)量的年輕人才和提供迅速開發(fā)其潛力的環(huán)境.團(tuán)隊(duì)中一些人在原子能管理局或國有業(yè)企業(yè)中任職,但其中很大一部分在大學(xué)執(zhí)教.其中包括曼哈頓工程洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的克勞斯·?？怂?Klaus Fuchs,1911—1988)成為理論物理系主任;考克饒夫在蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室的副教授羅伯特·斯賓塞(Robert Spence,1905—1976)擔(dān)任化學(xué)系主任;希爾伯特·斯金納(Herbert Skinner,1900—1960)負(fù)責(zé)普通物理學(xué);奧托·弗里施(Otto Frisch,1904—1979)負(fù)責(zé)核物理學(xué);約翰·鄧沃斯(John Dunworth,1917—2017)負(fù)責(zé)反應(yīng)堆物理學(xué).?？怂购髞碛?950年2月3日作為蘇聯(lián)間諜被捕.由蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的低功率石墨實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆(graphite low energy experimental pile,GLEEP)于1947年8月15日啟動,是西歐第一個(gè)運(yùn)行的核反應(yīng)堆.緊隨其后的是英國實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆(British Experimental Pile Operation,BEPO),是哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)于1948年7月3日設(shè)計(jì)的6MW反應(yīng)堆[15].由于英國沒有重水,因此BEPO被設(shè)計(jì)建造為低功率石墨反應(yīng)堆.哈威爾原子能研究所參與了溫茨凱爾的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以及那里的化學(xué)分離工廠.1946年8月通過的1946年《原子能法》中明確規(guī)定,將不再允許英國參與美國的原子能研究.這是由于1946年2月因間諜從事活動的艾倫·梅被捕而規(guī)定的.考克饒夫代表英國政府與美國人進(jìn)行談判,并簽署了一項(xiàng)新的非正式的協(xié)議,該協(xié)議于1948年1月7日宣布,被稱為“妥協(xié)”.在該協(xié)定下重新合作幾乎是不可能的.英國獨(dú)立核威懾力量的發(fā)展導(dǎo)致1958年對《原子能法》進(jìn)行了修訂,并根據(jù)1958年《美英共同防衛(wèi)協(xié)定》恢復(fù)了美英之間的核特殊關(guān)系.

圖5 BEPO

在考克饒夫的指導(dǎo)下,哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)在戰(zhàn)后幾年參加了前沿核聚變研究.喬治·佩吉特·湯姆森爵士(George Paget Thomson,1892—1975)于1946年在倫敦帝國理工學(xué)院開始了核聚變研究.1951年,考克饒夫?qū)⑴＝蜓芯繄F(tuán)隊(duì)安排轉(zhuǎn)移到哈威爾鎮(zhèn).詹姆斯·塔克(James Tuck,1910—1980)在洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的研究小組也在研究聚變,隨后考克饒夫與美國人達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議,他們將共同發(fā)布他們于1958年完成的研究結(jié)果.盡管考克饒夫長期以來都對這個(gè)即將來臨的重大突破十分樂觀,但核聚變能量的應(yīng)用是一個(gè)遙不可及的目標(biāo).

圖6 溫茨凱爾反應(yīng)堆的煙囪

作為哈威爾原子能研究機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人,考克饒夫堅(jiān)稱要在溫茨凱爾反應(yīng)堆的煙囪上安裝高性能過濾器,但這筆費(fèi)用很高.這是在考察田納西州橡樹嶺X-10石墨反應(yīng)堆附近發(fā)現(xiàn)鈾氧化物的報(bào)道后,做出的及時(shí)的反饋.反應(yīng)堆在使用過程中保持清潔且不受腐蝕,未安裝任何用于吸收顆粒物的過濾器,并且橡樹嶺的氧化鈾來自化工廠,并非是反應(yīng)堆,因此考克饒夫這次的多慮被稱為“考克饒夫愚蠢的想法”(Cockcroft’s Folly).直到出現(xiàn)了1957年溫茨凱爾其中一個(gè)反應(yīng)堆失火并釋放了放射性核素這個(gè)重大事故后,考克饒夫的建議才被采納[2].

4.2 劍橋大學(xué)丘吉爾學(xué)院

1955年4月,溫斯頓·丘吉爾(Winston Leonard Spencer Churchill,1874—1965)辭去首相職務(wù)并移交給羅伯特·安東尼·艾登(Robert Anthony Eden, 1897—1977)后,在錫拉丘茲度假.丘吉爾對美國和蘇聯(lián)擁有培養(yǎng)科學(xué)家顯著的優(yōu)勢而感嘆,并使他對類似于麻省理工學(xué)院的科技教育十分感興趣.他希望看到在英國成立的類似機(jī)構(gòu).丘吉爾請教私人秘書約翰·科爾維爾(John Colville,1915—1987)就如何最有效地實(shí)現(xiàn)這一目的咨詢合適的人,并允許他使用自己的名字建立院校或機(jī)構(gòu).

在科爾維爾的籌措和丘吉爾的支持下,1956年9月在帝國化工有限公司召開了一次杰出實(shí)業(yè)家會議,以溫斯頓·丘吉爾爵士的名義審議一項(xiàng)1000萬英鎊計(jì)劃的提案,以資助該計(jì)劃并提供以丘吉爾名字命名的獎(jiǎng)學(xué)金.但是十分可惜,該方案被認(rèn)為過于模糊,因此被否決.同時(shí),在美國,卡爾·吉爾伯特(Carl Gilbert,1906—1983)在了解科爾維爾的提案后,考慮是否可以在美國籌集資金來幫助英國牛津或劍橋建立類似于麻省理工類型的院校,并以丘吉爾署名.

科爾維爾在與考克饒夫等許多科學(xué)家溝通后尋求了共識,打算創(chuàng)辦了一所新的劍橋大學(xué)學(xué)院,其所培養(yǎng)出的本科生和研究生未來均從事科學(xué)事業(yè)或工程事業(yè).科爾維爾向丘吉爾匯報(bào)了上述方案,盡管丘吉爾更愿意在牛津大學(xué)建立一個(gè)以他名字命名的學(xué)院,但還是被科爾維爾說服了.

1959年1月24日,劍橋大學(xué)丘吉爾學(xué)院成立.兩天后,62歲的考克饒夫成為丘吉爾學(xué)院的第一任院長.這所學(xué)院的授課內(nèi)容包括自然科學(xué)和社會科學(xué),但70%的學(xué)生會選擇學(xué)習(xí)與科技相關(guān)的科目.他對丘吉爾學(xué)院的愿景是希望這里成為科學(xué)教育新思想交流碰撞的中心,并通過與全世界科學(xué)家的接觸,為學(xué)院的科學(xué)研究增加新的維度.考克饒夫挑選了第一批行政與教研人員,并監(jiān)督了學(xué)院最初的建設(shè).第一批本科生于1961年入學(xué),但當(dāng)時(shí)該學(xué)院仍然處于建設(shè)之中.于1964年6月5日愛丁堡公爵菲利普親王(The Prince Philip, Duke of Edinburgh,1921—)正式宣布丘吉爾學(xué)院開放.

圖7 劍橋丘吉爾學(xué)院

4.3 曼徹斯特理工大學(xué)

1961年,曼徹斯特理工大學(xué)邀請考克饒夫出任校長時(shí),他表示極大的榮幸和真誠的喜悅.作為校長,他始終對大學(xué)事務(wù)保持濃厚興趣,他每年多次回到學(xué)校與學(xué)生和教職員工交談,并就當(dāng)前的問題提供實(shí)用的建議.

曼徹斯特理工大學(xué)董事會在1967年9月26日的會議上,表示了對約翰·考克饒夫爵士逝世的深切遺憾,并向考克饒夫夫人及其家人致以誠摯的慰問.在《會議紀(jì)要》中記錄道:“作為校長,他得到了廣泛的尊重,擁有至高無上的權(quán)威和溫暖的個(gè)人魅力.他對學(xué)校事務(wù)的詳細(xì)了解不僅靠定期的匯報(bào)來維持,而且還通過對掌握的會議記錄和文件的系統(tǒng)和認(rèn)真地閱讀得以維持.

4.4 澳大利亞國立大學(xué)

在澳大利亞的大學(xué)中,只有澳大利亞國立大學(xué)聘請杰出的訪問學(xué)者作為校長,并曾對建立丘吉爾學(xué)院表現(xiàn)出濃厚的興趣.考克饒夫于1961年出任校長.他每年與考克饒夫夫人一起在這所大學(xué)度過幾個(gè)星期.考克饒夫在他作為澳大利亞國立大學(xué)校長的告別演講中,強(qiáng)調(diào)他深信國際間合作是科學(xué)的命脈.1952年,學(xué)校建立了一座以他名字命名的物理系主樓.

5 榮譽(yù)

除了與沃爾頓一起獲得休斯獎(jiǎng)?wù)?Hughes Medal)和1951年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)外,考克饒夫多年來還獲得了無數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)與榮譽(yù).1948年12月,他被授予下級勛位爵士(Knight Bachelor).在當(dāng)時(shí),科學(xué)家很少被授予騎士勛章的情況下,考克饒夫于1953年5月,被授予巴斯勛位(Knight Commander of the Order of the Bath);于1956年12月成為功勛勛位(Knight Commander of the Order of the Merit);他還于1954年獲得皇家獎(jiǎng)?wù)?Royal Medal);1955年獲得法拉第獎(jiǎng)?wù)?Faraday Medal);1947年獲得美國自由勛章(Medal of Freedom)1952年法國政府授予其法國榮譽(yù)軍團(tuán)勛章(Chevalier dela Légion d’honneur);于1958年被西班牙政府授予阿方索十世大十字勛章,以及1961年獲得原子能和平獎(jiǎng)(Atoms for Peace Award),以表彰他在促進(jìn)原子能和平利用方面的杰出工作.

1927年,他成為英國電氣工程師學(xué)會準(zhǔn)會員,1941年成為正式會員.于1936年被選為倫敦皇家學(xué)會院士.1946年,他被選為曼徹斯特理工學(xué)院的名譽(yù)教授,1961年被選推舉為校長;1964年,成為塔塔基礎(chǔ)研究所榮譽(yù)研究員.

1933年,考克饒夫成為英國物理學(xué)會會員,于1954年至1956年期間擔(dān)任英國物理學(xué)會(Institute of physics)會長以及英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(British Association for the Advancement of Science)主席,在1962年成為英國物理學(xué)會名譽(yù)研究員.1961年至1965年,他擔(dān)任澳大利亞國立大學(xué)的名譽(yù)校長,且每年都要參加一次學(xué)位授予儀式.他在1944年發(fā)表了紀(jì)念盧瑟福的演講.他是歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research)的英國代表以及科學(xué)和工業(yè)研究部核物理小組委員會主席.在1967年9月18日去世之前,當(dāng)選為帕格沃什科學(xué)與世界事務(wù)會議(Pugwash Conferences on Science and World Affairs)的主席.

1946年,他成為劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院的榮譽(yù)會員.他為榮譽(yù)成員的其他英國機(jī)構(gòu)或協(xié)會還有英國土木工程師學(xué)會,輪機(jī)工程學(xué)會,英國機(jī)械工程師學(xué)會,金屬學(xué)會,英國皇家建筑師學(xué)會.1962年,他被選為英國皇家藝術(shù)協(xié)會會員.此外,多所英國海外研究所授予考克饒夫外籍會員.其中包括美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院,澳大利亞科學(xué)院,丹麥皇家學(xué)院,新西蘭皇家學(xué)會和瑞典皇家學(xué)會.

他被多所大學(xué)授予博士學(xué)位:多倫多大學(xué)(1945);牛津大學(xué)(1949);倫敦大學(xué)(1950);都柏林大學(xué),格拉斯哥大學(xué)和三一學(xué)院(1951年);澳大利亞國立大學(xué),墨爾本大學(xué)和悉尼大學(xué)(1952);劍橋大學(xué),曼徹斯特大學(xué)(1953);伯明翰大學(xué)(1954);科英布拉大學(xué)和圣安德魯斯大學(xué)(1955);利茲大學(xué)(1956);代爾夫特理工大學(xué)和萊斯特大學(xué)(1959);達(dá)爾豪斯大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)(1960年);天普大學(xué)(1961);薩斯喀徹溫大學(xué)和西澳大學(xué)(1962);羅德斯大學(xué)(1964).

圖8 1961年1月,考克饒夫榮獲原子能和平獎(jiǎng)

1967年9月18日,考克饒夫于劍橋丘吉爾學(xué)院的家中因心臟病去世.他被安葬在劍橋阿森松教區(qū)墓地.1967年10月17日,人們在威斯敏斯特大教堂為他舉行了追悼會.

為紀(jì)念考克饒夫英國的許多建筑物均以他的名字命名:位于劍橋大學(xué)博物館新址的考克饒夫大樓,這棟樓里有多功能廳和實(shí)驗(yàn)室;柴郡達(dá)斯伯里實(shí)驗(yàn)室的考克饒夫研究所;布萊頓大學(xué)的考克饒夫大樓;索爾福德大學(xué)的考克饒夫大樓以及澳大利亞國立大學(xué)物理科學(xué)與工程研究學(xué)院最古老的建筑,也是以他名字命名——考克饒夫大樓.

考克饒夫的論文集收藏在劍橋的丘吉爾檔案中心,并向公眾開放.其中包括他的實(shí)驗(yàn)記錄,相關(guān)照片,學(xué)位論文和書信.