英国核物理学家约翰·考克饶夫

2021-05-15杨子轩

物理教师 2021年4期

杨子轩姚芳

(1. 首都师范大学物理系,北京 100048; 2. 首都师范大学数学科学学院,北京 100048)

1 个人生平

约翰·道格拉斯·考克饶夫(John Douglas Cockcroft,1897—1967)(如图1),于1897年5月27日出生于英格兰约克郡西区的托德莫登,他的父亲约翰·亚瑟·考克饶夫(John Arthur Cockcroft)是一家工厂老板，约翰是他们5个儿子中的长子.

图1 约翰·考克饶夫

约15世纪,考克饶夫家族以农民的身份定居在兰开夏郡和约克郡边境的托德莫登.在自给自足的农业时代,他们生产并纺织自产的羊毛,编织自产的粗布.到了16世纪,该地区的一些居民主要是手工织布机织工.他们制造的浅色且廉价和色彩艳丽的材料在欧洲大陆和美洲都有现成的市场.十七世纪初,这些工人们编织从黎凡特进口的棉花,且编织过程中与亚麻混合.纯棉布直到18世纪中叶才被生产出来,并成为纺织机械发展之后最重要的原料[1].在手工织机被动力织机所取代之前,考克饶夫家族一直在卡尔德河谷从事纺织业.在动力织机应用于生产以后,1846年由考克饶夫家族在托德莫登建立了一座新的工厂,并雇佣许多工人.1899年,他们搬到沃尔斯顿的伯尔克斯磨坊.

考克饶夫家族的生意在遭受了19世纪末期严重的财政困难之前,一直很兴旺.在妻子A.M.考克饶夫的有力协助下,老考克饶夫开始了重建公司财富的这个艰巨而漫长的任务.考克饶夫夫人原本是一个棉花制造商的女儿,但在当时她不得不在经济拮据的情况下独自一人抚养5个儿子,她的丈夫则在磨坊里苦苦工作. 约翰·考克饶夫的父亲给他的孩子们灌输了扎实的商业原理和编织技术知识,母亲是一位有音乐才能的聪明女人,她的良好性格对她的儿子们的日后性格的形成有很大影响.

童年时,约翰·考克饶夫对磨坊的机器产生了浓厚的兴趣.他喜欢在彭宁山脉上散步,体现了他性格中沉稳的一面.在后来的岁月里,他经常在阿尔卑斯山、在英国和加拿大的研究机构周围的旷野,或者在乡间小屋附近的沼泽地边散步.在他的一生中,他从户外散步和听音乐中获得了精神上的慰藉.

1901年至1908年,他就读于沃尔斯登的英格兰教会学校,分别在1908年至1909年以及1909年至1914年就读于托德莫登小学和托德莫登中学.他在中学期间,阅读了约瑟夫·约翰·汤姆逊(Thomson,Joseph John，1856—1940)和卢瑟福(Ernest Rutherford,1st Baron Rutherford of Nelson,1871—1937)等人的著作,这给予了他极大的热情去投入科研工作.考克饶夫于1914年中学毕业后获得国家级奖学金并进入曼彻斯特大学,师从英国数学家贺拉斯·兰姆(Horace Lamb,1849—1934).但很可惜他太年轻了,无法像高年级同学那样领悟到更多的知识,也没有展示出优秀的数学能力.他还选择参加第一年的物理讲座,最初的讲师并没有维持好课堂秩序,所以卢瑟福不得不亲自接手.卢瑟福给年轻的考克饶夫留下了深刻的印象——一种伟大和甘于献身于物理学的印象.[1]

第一次世界大战爆发于1914年8月.1915年夏天,考克饶夫在大学学习仅1年后,便自愿服役.在暑假期间,他在威尔士的基督教青年会工作.1915年11月24日,他加入英军.1916年3月29日,他进入了皇家野战炮兵第59训练旅,该旅是西线第20师(轻型师)的单位在那里他成为一名通信兵,然后被派往第92野战炮兵旅B炮位,考克饶夫参加了到兴登堡防线之战和第3次伊普尔战役.他于1918年2月被派往布莱顿(Brighton)学习枪炮知识,于1918年4月被派往北安普敦郡威登贝克的军官候选学校,并在那里接受了野战炮兵的训练.1918年10月17日,他被任命为皇家野战炮兵中尉.战争结束后,考克饶夫于1919年1月从陆军退伍.[2]考克饶夫很少提及他这段生活,对他最亲密的朋友也不例外.他坚韧的品质,再加上他专注于手头任务的能力,使他在血腥的战争中毫发无伤,但这段经历却使他对战争产生了深深的仇恨.第二次世界大战之后,他积极地倡导裁军,并在为解决国际争端寻求更为理智的方法.

退伍后,他没有回到大学的自然科学系,而是进入曼彻斯特大学理工学院学习电气工程,可能是因为作为通信员他对这个学科产生了浓厚的兴趣.1920年,他成为大都会维克斯电气公司的大学生学徒.由于他已经在曼彻斯特大学完成了一年的课程,因此可以跳过第一年的学业课程.他于1920年6月获得理学学士学位.在电气工程教授迈尔斯·沃克(Miles Walker,1868—1941)的指导下,他在研究部门从事了一些工作.他于1922年6月提交了有关交流电谐波分析的硕士学位论文.于1922年获得了理学硕士学位,在沃克的建议下,他前往剑桥圣约翰学院学习数学,于1924年6月获得了文学学士学位.

此后,沃克为他申请剑桥大学圣约翰学院的学生奖学金.考克饶夫成功地获得了30英镑奖学金和20英镑的助学金.大都会维克斯公司给他50英镑建议他完成学业后回来就职.此后,沃克为考克饶夫写了一封推荐信给卢瑟福,卢瑟福收到信后,鼓励他尽可能多地从数学中抽出时间去上物理课并进行实践.

尔后,考克饶夫成为了欧内斯特·卢瑟福在卡文迪许实验室的学生,考克饶夫在卢瑟福的指导下获得了博士学位.在欧内斯特·沃尔顿(Ernest Thomas Sinton Walton,1903—1995)和马克·奥利芬特(Mark Oliphant,1907—2000)的帮助下,他制造了后来被称为考克饶夫-沃尔顿加速器.考克饶夫和沃尔顿用它来进行原子核的第一次人工分解,这一壮举通常被称为分裂原子.

二战结束后,考克饶夫成为哈威尔(Harwell)原子能研究机构(Atomic Energy Research Establishment, AERE)的负责人,低功率且带石墨慢化剂的实验性反应堆于1947年8月15日投入使用,成为西欧运营的第一座核反应堆.哈威尔原子能研究机构参与了反应堆的和化学分离工厂的设计工作.在考克饶夫的指导下,哈威尔原子能研究机构参与了前沿聚变研究.

1951年,约翰·考克饶夫与欧内斯特·沃尔顿分享了诺贝尔物理学奖.他们第1次以人工方式实现原子核嬗变,为核物理发展做出巨大贡献.

1959年到1967年期间,担任剑桥丘吉尔学院的院长. 1961年至1965年,任职堪培拉澳大利亚国立大学的名誉校长.

1967年9月18日,这位70岁的老人在剑桥去世.

2 学术成就:核物理研究

欧内斯特·卢瑟福接受了迈尔斯·沃克的推荐,接受了考克饶夫作为的他的学生在卡文迪许实验室,此时，考克饶夫成为了大都会维克斯公司的研究主任.考克饶夫于1924年博士入学,在卢瑟福的指导下,他撰写了博士学位论文“关于在表面上分子流的凝结发生的现象”,发表在《皇家学会学报》上,他于1925年9月6日获得博士学位.在此期间,他也是俄裔物理学家彼得·卡皮查(Peter Kapitza,1894—1984)的助手,从事在极低温下磁场物理学的工作,二人合力设计和建造了氦气液化器.

1919年,卢瑟福成功地分解了氮原子核,发现了质子.此实验和随后的实验揭示了原子核的结构.要想进一步探索,他需要一种人工手段来制造具有高速且足以克服原子核束缚的粒子.这为卡文迪许实验室开辟了一条新的研究道路.他指派考克饶夫和欧内斯特·沃尔顿来解决这个问题.随后他们制造了Cockcroft-walton加速器.马克·奥利芬特为他们设计了一个质子源.考克饶夫阅读了乔治·伽莫夫(George Gamow,1904—1968)关于量子隧穿的论文,他意识到,由于隧穿效应,可以用比最初想象的低得多的电压来实现所需的效果.实际上,他计算出,能量仅为30万电子伏特的质子将能够穿透硼核.考克饶夫和沃尔顿在接下来的两年中一直致力于加速器的研究.[2]卢瑟福从剑桥大学获得了1000英镑的赠款,用于他们购买所需的变压器和其他设备.他与迈尔斯·沃克的工作于1925年发表,涉及商用电源频率上的电压和电流波形的谐波分析,随后发表了另外两篇论文,描述了电导体边界效应的一些详细研究.截止到那时,考克饶夫已经对电气工程的某些方面有了深刻的了解,并拥有一些强大的理论支撑.他设计了效率极高的电磁线圈,从而最大程度地减小了应力,帮助了在剑桥的俄裔物理学家彼得·卡皮查进行强磁场的研究.后来,他为卢瑟福设计了用于α射线光谱学的电磁体和用于β射线光谱学的永磁体.在阅读奥托·斯特恩(Otto Stern,1888—1969)的著作之后,考克饶夫还对分子束的性质进行了研究.这项工作发表于1928年,为真空技术积累了宝贵的经验.1928年11月5日,考克饶夫当选为圣约翰学院院士.

1930年利用建造的第一台仪器,考克饶夫与沃尔顿从阳极射线管中产生质子束,并用电压把它们加速到280 kV,使其轰击了锂靶和其他元素靶,用金箔验电器检测γ射线，然而没有发现γ射线.正如我们现在所知道的,所用质子的能量远低于引起γ射线发射的最低共振能量.就此,决定提高质子的能量.由于实验室需要搬迁,他们中断了工作.[3]

图2 考克饶夫(左)与伽莫夫在讨论

1930年,为获得高速粒子进行实验.考克饶夫认为，在原子核问题上发展出一条新的研究路线非常重要.关于核结构的绝大部分信息来源于α粒子的实验,如果我们可以用高电位加速的正离子源进行补充,我们就可以拥有一种比α粒子具有更多优势的实验粒子.它的强度要比α粒子源的强度大,就粒子数量而言,一微安正离子与180克镭等量.此外,速度可随意变化.这一点在许多实验中曾是一个复杂的问题.

当然,获得这种粒子的主要困难在于,如果要获得接近α粒子的速度,则需要非常高的电势并用来加速粒子.例如,来自钋的α粒子具有的能量约为520万电子伏特,需要260万伏特的电压才能赋予氦核等量的能量.因此,必须确定有效工作的最小加速电压是多少,随着电压的升高,实验难度也会增加.[4]

在先前的实验中,考克饶夫掌握了用高达300千伏电压获取质子的方法.建立了一个可以获得该阶稳态电位的整流器系统,并提出了加速氢放电管中质子的方法.

使用该装置,研究以确定氢的质子对物质的撞击是否产生了相当强度的X射线或γ射线.结果发现,当排除所有次级影响时,如果产生任何这样的辐射,其强度可与实验误差极限相媲美,并且强度肯定不大于由相同能量的相等电子源产生的连续X射线强度的百万分之一.由于任何辐射的强度都会随着离子能量的增加而迅速增加,很明显,为了获得有意义的结果,必须使用更高的电压.此实验中使用的方法是先前论文中所尝试的方法的扩展.已经研发出使用热离子整流器和冷凝器的高电压源,该装置能够产生80万伏的稳定电压.该电压被施加到加速质子实验管轴的两端.质子可以通过云母窗进入到实验室中.到目前为止,已经能够使用能量高达71万电子伏特的质子进行实验.[5]

后续实验表明,能量高于15万电子伏特的质子能够分解大量元素.过去,以α粒子流作为轰击粒子进行了人工分解实验.核嬗变后通常产生质子,在某些情况下也会产生γ射线. 而今,在质子轰击下,α粒子却从许多元素中发射出来.因此,分解过程在某种意义上与α粒子轰击粒子是相反的过程.[6]

两个粒子同时以相反的方向同时喷射,每个粒子的能量为8.6 MEV.这是通过人工手段进行的首次核反应.轰击硼和氟等其他元素时也观察到类似的效果.这个壮举通常被称为分裂原子.为此,考克饶夫和沃尔顿于1938年获得了休斯奖章,并于1951年共同获得了诺贝尔物理学奖.

考克饶夫和沃尔顿在人工加速带电粒子的领域作出突破性的贡献绝非偶然.用天然的α粒子作为炮弹轰击靶粒子,只能使有限的几种轻原子发生蜕变,可以实现蜕变的范围很受限制,能否实现人工的核嬗变在于人工加速带电粒子,把带电粒子加速到足够高的能量,再用这些高能粒子作为炮弹轰击靶子以产生核蜕变.他们克服了巨大的困难才得以在1932年初率先作出了第一个人工蜕变实验.他们首先要建造升压设备,把电压从变压器引出,经特制的整流器和电压倍加器,倍加到60万伏的直流电压.他们自制了特殊的放电管,加上高电压,使质子加速到前所未见的高速,打到特制的靶粒子上.就这样他们第一次实现了完全在人工控制之下产生的核蜕变.[8]

图3 考克饶夫-沃尔顿倍压电路

与此同时,欧内斯特·劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence,1901—1958)正在加利福尼亚大学建造另一种用于加速质子的装置,即回旋加速器,他们很快就能确认考克饶夫和沃尔顿的结果.通过向电压倍增器增加电压,Cockcroft—Walton实验的束能量可以增加到大约3 MEV,而回旋加速器能够达到更高的能量.考克饶夫和沃尔顿非常了解加速器的局限性,他们希望卢瑟福为卡文迪许实验室购得回旋加速器.购得的回旋加速器于1938年10月投入使用,奥利芬特认为这台回旋加速器不够大,并开始在伯明翰大学建造更大的60英寸回旋加速器. 1939年第二次世界大战在欧洲爆发,它的建造被推迟了,即使战后建造完成,也早已过时.

此后,他们继续利用质子,氘核和α粒子分解碳,氮和氧.他们证明这些元素产生了放射性同位素,包括碳11和氮13.考克饶夫和沃尔顿系统地研究了诸如6Li蜕变为7Li,10B蜕变为11B,12C蜕变为13C,它们都同时会发射出质子.[8]

劳伦斯等人的实验扩大了核研究领域,他们首先使用氢的重同位素离子产生核分解.实验表明,氘核导致的分解比具有相同能量的质子产生的分解要复杂得多.因此,劳伦斯报告说,大多数被轰击的物质都发射出一组或多组质子,而一组质子的射程约为18 cm.这一令人惊讶的结果使他们得出这样的假设:氘核在强核场中不稳定,并且分解成质子和中子,释放出约500万电子伏特的能量.除了发射远距离质子外,劳伦斯从锂,铍,硼,氮,镁和铝中也发现了发射出的α粒子.[9]这些实验得到了狄(Philip Ivor Dee,1904—1983) 的大力支持,他是由卢瑟福从他与威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson,1869—1959)进行的云雾室工作中抽调过来,加入到这一充满希望的新领域中.狄和沃尔顿将威尔逊云雾室安装在加速管下面,并让质子通过其让α粒子从小云母窗进入云雾室.[3]利用照相机获得了用质子和氘核分别轰击锂时产生的两个α粒子沿相反方向运动径迹的美丽照片,在照片中测量空间产生的径迹,确定了蜕变的过程.[10]

1932年,对卡文迪许实验室来说是杰出的一年,詹姆斯·查德威克发现了中子.1933年,考克饶夫和沃尔顿用氘核轰击了锂,硼和碳.1934年,伊雷娜·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie,1897—1956)和让·弗雷德里克·约里奥-居里(Jean Frédéric Joliot-Curie,1900—1958)发现人工放射性后,他们证明了,用α粒子轰击硼,镁和铝后,放出正电子. 通过化学测试,他们进一步能够证明放射性的产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,它们的半衰期分别为14.5、2.5和3.25 min.他们认为有其他方式可以产生这些放射性同位素,尤其是通过氘核轰击碳来产生相同的放射性氮.考克饶夫和沃尔顿证明,放射性核是将硼和碳暴露于质子和氘核束中产生的.最后,考克饶夫通过质子和氘核分解硼进行了更详细的研究.[11]

对硼进行轰击的实验表明,对于50万电子伏特能量的氘核,存在3个质子组,范围分别为31、58和92 cm.他们还展示了5-10 cm范围内α粒子的连续分布状态,发现该分布在约9 cm处具有最大值.还有迹象表明在分布的末尾有一组均匀的α粒子,但是获得的粒子数量不足以确定其存在.通过这些实验,考克饶夫等人已经能够获得纯度更高的重氢,并提高了质子源的性能,从而以更高的精度确定α粒子的能量分布.通过对的质子束进行磁分析获得了进一步的改进,因为在最初的质子和氘核混合束实验中,氘核嬗变产生的范围小于4 cm的α粒子被大量质子分解出的α粒子掩盖了.[12]

1929年,考克饶夫被任命为圣约翰学院机械科学系的主管.又于1931年被任命为物理系主管,于1933年成为初级财务主管,主要负责那些被忽视的古建筑.为了修护蛀虫造成的建筑的损坏,必须拆除部分大学的警卫室,考克饶夫负责监督电子设备的重新接线. 1935年,卢瑟福任命他接替卡皮查担任蒙德实验室(Mond Laboratory)的研究主任,后者返回苏联.他监督新的低温设备的安装,并指导低温物理研究.他于1936年成为皇家学会会员,并于1939年当选为自然哲学教授.

3 二战期间的工作

从1935年直到战争爆发,卢瑟福亲自让考克饶夫负责重建和改造卡文迪许实验室,工作包括建造回旋加速器.尽管考克饶夫少言寡语,但他总是友善热情,平易近人,做事情毫不拖拉,没有任何怨言便接受了这项工作.当考克饶夫参与战争期间雷达的开发时,他的这些品质被证明是极其具有价值的.[13]在第二次世界大战爆发时,考克饶夫担任供应部科研副主任,负责雷达工作.1938年,亨利·蒂扎德爵士(Henry Tizard,1885—1959)向考克饶夫展示了海岸警戒雷达,这是由皇家空军建造的沿海预警雷达站,用以探测和跟踪飞机.1940年,考克饶夫成为科学研究和技术发展咨询委员会的成员.1940年4月,他成为空战科学研究委员会的成员,该委员会的成立是为了处理因《费里兹-毗艾尔备忘录》(Frisch-Peierls memorandum)而引起的问题.计算得出原子弹在技术上是可行的.后该委员会被穆德委员会(MAUD Committee)代替,考克饶夫也是其成员.1940年6月.该委员会领导了英国原子弹的早期开创性研究.在多个地方建造了用于探测潜艇和飞机的雷达站之后,他于1940年8月作为著名的蒂泽德任务成员前往美国,进行具有军事意义的科学技术的交流.[14]

1940年8月,考克饶夫作为“蒂扎德”任务的一员前往美国.尽管美国尚未参战,但由于英国开发了许多新技术,可是缺乏充分利用并发展这些技术的能力,因此英国政府派出科研团队决定与美国交流共享这些技术.在访问美国期间,双方团队交流的信息技术包含了战争期间取得的一些重大科学进展,例如雷达技术,特别是由伯明翰的奥利芬特团队设计的经过改良的谐振腔式磁控管;近程引信;弗兰克·惠特尔爵士(Frank Whittle,1907—1996)的喷气发动机和《费里兹-毗艾尔备忘录》,其中详细描述了原子弹的可行性.这些技术十分重要,双方相互运送了许多其他物资,包括炮弹,瞄准镜和潜艇探测装置.交流结束后,考克饶夫团队于1940年12月返回英国.

回国后不久,考克饶夫被任命为汉普郡防空研究发展机构的首席总监.同年,他成为该委员会的成员,该委员会旨在研究核裂变的可能应用.经过三年艰苦的雷达开发工作,考克饶夫被任命为主任.他的主要研究方向是改进雷达.GL.Mk.III雷达是作为跟踪和预报目标而开发的,但是到1942年,在美国出于相同目的而开发的SCR-584雷达问世了,考克饶夫建议根据租借协议自行购买,他购买了SCR-584进行测试,1943年10月在谢珀岛(Isle of Sheppey)进行了试验,最终证明SCR-584性能更好.这使考克饶夫在补给部非常不受欢迎,尽管如此,他依旧购买了美国的雷达,因为他知道德国人正计划部署V-1导弹.

应用近程引信技术后,英国人设想如果炮弹在靠近敌机时爆炸,那么一次性打击几乎与直接打击同样有效.这个技术遇到的第一个问题是使雷达装置微型化,其二是将炮弹坚固到足以从炮管发射.第二个问题已由德国人解决.“蒂扎德”任务团队向美国团队提供建议的同时,1942年2月改进工作在英国继续进行.考克饶夫在1943年11月访问美国时,商讨了订购事宜.于1944年1月16日订购了15万门QF 3.7英寸高射炮.这些高射炮及时投入战场,并于1944年8月与V-1导弹交火,击落了97%的V-1导弹.出于此次贡献,考克饶夫于1944年6月获得大英帝国司令勋章.

1943年8月,《魁北克协定》将英国纳入曼哈顿工程,并成立了联合政策委员会来指导曼哈顿工程.1944年5月20日双方签订了最终协议.在协定的要求下,美国人将协助英国人在加拿大建造一座重水减速的核反应堆,并将为腐蚀和辐射对材料的影响等问题提供技术援助.在此期间,蒙特利尔的加拿大原子能研究实验室负责人是一位管理能力很差的人,与加拿大科研人员的合作并不顺利,这个问题引起了美国的注意,被美国人视为安全隐患.1944年4月,在华盛顿举行的联合政策委员会会议通过,在蒙特利尔实验室的非英国国籍的科学家离开实验室,而考克饶夫在1944年5月成为蒙特利尔实验室的新负责人.在这里,他不仅面临技术和科学问题,而且面临着涉及权衡加拿大,英国,美国和法国的利益问题.[3]

1944年8月24日,在继续建造全规模核火箭发动机实验反应堆(Nuclear rocket engine experimental reactor,NRX)之前,英国人决定建造一个小型反应堆,以测试蒙特利尔实验室有关晶格尺寸,护套材料和控制杆的计算是否准确,此反应堆被称为零能量重水试验反应堆(Zero Energy Experimental Pile, ZEEP).加拿大政府选择在渥太华西北约110英里(180公里)处,在渥太华河南岸的安大略恰克河上选址.在考克饶夫的监督指导下,恰克河(Chalk River)实验室于1944年投入使用,蒙特利尔实验室于1946年7月关闭.[14]ZEEP于1945年9月5日成为美国境外第一座运行的核反应堆.更大的NRX于1947年7月21日问世,是当时世界上功能最强大的反应堆. NRX最初设计于1944年7月,输出功率为8 MW,经过改进设计后将功率提高到10 MW.

图4 艾伦·梅

1945年9月10日,考克饶夫被告知在Chalk River实验室的英国物理学家艾伦·梅(Alan May,1911—2003)是一名苏联间谍,这让他十分震惊. 1947年8月,考克饶夫与其他科学家联名签署关于减少艾伦·梅刑期的请愿书.

4 战后工作

考克饶夫于1946年返回英国,担任哈威尔(Harwell)新原子能研究机构的主任,一直任职至1959年.在此期间,他对从基础设施研究到核电站的建设发展方面的工作进行了指导和激励.他特别关注在哈威尔建造的粒子加速器的一系列情况,并主要负责建造7 GEV质子同步加速器.

4.1 哈威尔原子能研究机构

1945年4月,考克饶夫和奥利芬特在哈威尔镇(Harwell)物色了一个地点来建立原子能研究机构.1945年11月9日,考克饶夫被前英国首相克莱门特·理查·艾德礼(Clement Richard Attlee, 1st Earl Attlee,1883—1967)任命为哈威尔原子能研究机构的负责人.[13]正式公告于1946年1月29日发布,但该消息在公告宣布前两个月以及加拿大政府被告知之前泄露,造成了外交事故.公告中说明,考克饶夫不得在下一任负责人上任前离职，即不得于1946年9月30日前离职.在此期间,他招募了新实验室的工作人员,这个全新的工作团队是英国有史以来规模最大,最杰出的技术团队之一.他最重要的影响在于吸引高质量的年轻人才和提供迅速开发其潜力的环境.团队中一些人在原子能管理局或国有业企业中任职,但其中很大一部分在大学执教.其中包括曼哈顿工程洛斯阿拉莫斯实验室的克劳斯·福克斯(Klaus Fuchs,1911—1988)成为理论物理系主任;考克饶夫在蒙特利尔实验室的副教授罗伯特·斯宾塞(Robert Spence,1905—1976)担任化学系主任;希尔伯特·斯金纳(Herbert Skinner,1900—1960)负责普通物理学;奥托·弗里施(Otto Frisch,1904—1979)负责核物理学;约翰·邓沃斯(John Dunworth,1917—2017)负责反应堆物理学.福克斯后来于1950年2月3日作为苏联间谍被捕.由蒙特利尔实验室设计的低功率石墨实验性反应堆(graphite low energy experimental pile,GLEEP)于1947年8月15日启动,是西欧第一个运行的核反应堆.紧随其后的是英国实验性反应堆(British Experimental Pile Operation,BEPO),是哈威尔原子能研究机构于1948年7月3日设计的6MW反应堆[15].由于英国没有重水,因此BEPO被设计建造为低功率石墨反应堆.哈威尔原子能研究所参与了温茨凯尔的反应堆设计以及那里的化学分离工厂.1946年8月通过的1946年《原子能法》中明确规定,将不再允许英国参与美国的原子能研究.这是由于1946年2月因间谍从事活动的艾伦·梅被捕而规定的.考克饶夫代表英国政府与美国人进行谈判,并签署了一项新的非正式的协议,该协议于1948年1月7日宣布,被称为“妥协”.在该协定下重新合作几乎是不可能的.英国独立核威慑力量的发展导致1958年对《原子能法》进行了修订,并根据1958年《美英共同防卫协定》恢复了美英之间的核特殊关系.

图5 BEPO

在考克饶夫的指导下,哈威尔原子能研究机构在战后几年参加了前沿核聚变研究.乔治·佩吉特·汤姆森爵士(George Paget Thomson,1892—1975)于1946年在伦敦帝国理工学院开始了核聚变研究.1951年,考克饶夫将牛津研究团队安排转移到哈威尔镇.詹姆斯·塔克(James Tuck,1910—1980)在洛斯阿拉莫斯实验室的研究小组也在研究聚变,随后考克饶夫与美国人达成了一项协议,他们将共同发布他们于1958年完成的研究结果.尽管考克饶夫长期以来都对这个即将来临的重大突破十分乐观,但核聚变能量的应用是一个遥不可及的目标.

图6 温茨凯尔反应堆的烟囱

作为哈威尔原子能研究机构的负责人,考克饶夫坚称要在温茨凯尔反应堆的烟囱上安装高性能过滤器,但这笔费用很高.这是在考察田纳西州橡树岭X-10石墨反应堆附近发现铀氧化物的报道后,做出的及时的反馈.反应堆在使用过程中保持清洁且不受腐蚀,未安装任何用于吸收颗粒物的过滤器,并且橡树岭的氧化铀来自化工厂,并非是反应堆,因此考克饶夫这次的多虑被称为“考克饶夫愚蠢的想法”(Cockcroft’s Folly).直到出现了1957年温茨凯尔其中一个反应堆失火并释放了放射性核素这个重大事故后,考克饶夫的建议才被采纳[2].

4.2 剑桥大学丘吉尔学院

1955年4月,温斯顿·丘吉尔(Winston Leonard Spencer Churchill,1874—1965)辞去首相职务并移交给罗伯特·安东尼·艾登(Robert Anthony Eden, 1897—1977)后,在锡拉丘兹度假.丘吉尔对美国和苏联拥有培养科学家显著的优势而感叹,并使他对类似于麻省理工学院的科技教育十分感兴趣.他希望看到在英国成立的类似机构.丘吉尔请教私人秘书约翰·科尔维尔(John Colville,1915—1987)就如何最有效地实现这一目的咨询合适的人,并允许他使用自己的名字建立院校或机构.

在科尔维尔的筹措和丘吉尔的支持下,1956年9月在帝国化工有限公司召开了一次杰出实业家会议,以温斯顿·丘吉尔爵士的名义审议一项1000万英镑计划的提案,以资助该计划并提供以丘吉尔名字命名的奖学金.但是十分可惜,该方案被认为过于模糊,因此被否决.同时,在美国,卡尔·吉尔伯特(Carl Gilbert,1906—1983)在了解科尔维尔的提案后,考虑是否可以在美国筹集资金来帮助英国牛津或剑桥建立类似于麻省理工类型的院校,并以丘吉尔署名.

科尔维尔在与考克饶夫等许多科学家沟通后寻求了共识,打算创办了一所新的剑桥大学学院,其所培养出的本科生和研究生未来均从事科学事业或工程事业.科尔维尔向丘吉尔汇报了上述方案,尽管丘吉尔更愿意在牛津大学建立一个以他名字命名的学院,但还是被科尔维尔说服了.

1959年1月24日,剑桥大学丘吉尔学院成立.两天后,62岁的考克饶夫成为丘吉尔学院的第一任院长.这所学院的授课内容包括自然科学和社会科学,但70%的学生会选择学习与科技相关的科目.他对丘吉尔学院的愿景是希望这里成为科学教育新思想交流碰撞的中心,并通过与全世界科学家的接触,为学院的科学研究增加新的维度.考克饶夫挑选了第一批行政与教研人员,并监督了学院最初的建设.第一批本科生于1961年入学,但当时该学院仍然处于建设之中.于1964年6月5日爱丁堡公爵菲利普亲王(The Prince Philip, Duke of Edinburgh,1921—)正式宣布丘吉尔学院开放.

图7 剑桥丘吉尔学院

4.3 曼彻斯特理工大学

1961年,曼彻斯特理工大学邀请考克饶夫出任校长时,他表示极大的荣幸和真诚的喜悦.作为校长,他始终对大学事务保持浓厚兴趣,他每年多次回到学校与学生和教职员工交谈,并就当前的问题提供实用的建议.

曼彻斯特理工大学董事会在1967年9月26日的会议上,表示了对约翰·考克饶夫爵士逝世的深切遗憾,并向考克饶夫夫人及其家人致以诚挚的慰问.在《会议纪要》中记录道:“作为校长,他得到了广泛的尊重,拥有至高无上的权威和温暖的个人魅力.他对学校事务的详细了解不仅靠定期的汇报来维持,而且还通过对掌握的会议记录和文件的系统和认真地阅读得以维持.

4.4 澳大利亚国立大学

在澳大利亚的大学中,只有澳大利亚国立大学聘请杰出的访问学者作为校长,并曾对建立丘吉尔学院表现出浓厚的兴趣.考克饶夫于1961年出任校长.他每年与考克饶夫夫人一起在这所大学度过几个星期.考克饶夫在他作为澳大利亚国立大学校长的告别演讲中,强调他深信国际间合作是科学的命脉.1952年,学校建立了一座以他名字命名的物理系主楼.

5 荣誉

除了与沃尔顿一起获得休斯奖章(Hughes Medal)和1951年诺贝尔物理学奖外,考克饶夫多年来还获得了无数奖项与荣誉.1948年12月,他被授予下级勋位爵士(Knight Bachelor).在当时,科学家很少被授予骑士勋章的情况下,考克饶夫于1953年5月,被授予巴斯勋位(Knight Commander of the Order of the Bath);于1956年12月成为功勋勋位(Knight Commander of the Order of the Merit);他还于1954年获得皇家奖章(Royal Medal);1955年获得法拉第奖章(Faraday Medal);1947年获得美国自由勋章(Medal of Freedom)1952年法国政府授予其法国荣誉军团勋章(Chevalier dela Légion d’honneur);于1958年被西班牙政府授予阿方索十世大十字勋章,以及1961年获得原子能和平奖(Atoms for Peace Award),以表彰他在促进原子能和平利用方面的杰出工作.

1927年,他成为英国电气工程师学会准会员,1941年成为正式会员.于1936年被选为伦敦皇家学会院士.1946年,他被选为曼彻斯特理工学院的名誉教授,1961年被选推举为校长;1964年,成为塔塔基础研究所荣誉研究员.

1933年,考克饶夫成为英国物理学会会员,于1954年至1956年期间担任英国物理学会(Institute of physics)会长以及英国科学促进协会(British Association for the Advancement of Science)主席,在1962年成为英国物理学会名誉研究员.1961年至1965年,他担任澳大利亚国立大学的名誉校长,且每年都要参加一次学位授予仪式.他在1944年发表了纪念卢瑟福的演讲.他是欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research)的英国代表以及科学和工业研究部核物理小组委员会主席.在1967年9月18日去世之前,当选为帕格沃什科学与世界事务会议(Pugwash Conferences on Science and World Affairs)的主席.

1946年,他成为剑桥大学圣约翰学院的荣誉会员.他为荣誉成员的其他英国机构或协会还有英国土木工程师学会,轮机工程学会,英国机械工程师学会,金属学会,英国皇家建筑师学会.1962年,他被选为英国皇家艺术协会会员.此外,多所英国海外研究所授予考克饶夫外籍会员.其中包括美国艺术与科学学院,澳大利亚科学院,丹麦皇家学院,新西兰皇家学会和瑞典皇家学会.

他被多所大学授予博士学位:多伦多大学(1945);牛津大学(1949);伦敦大学(1950);都柏林大学,格拉斯哥大学和三一学院(1951年);澳大利亚国立大学,墨尔本大学和悉尼大学(1952);剑桥大学,曼彻斯特大学(1953);伯明翰大学(1954);科英布拉大学和圣安德鲁斯大学(1955);利兹大学(1956);代尔夫特理工大学和莱斯特大学(1959);达尔豪斯大学和谢菲尔德大学(1960年);天普大学(1961);萨斯喀彻温大学和西澳大学(1962);罗德斯大学(1964).