（第一节 ）第一次核反应
毛主席说：“你要知道原子的组织同性质，你就得实行物理学和化学的实验，变革原子的情况。”想要研究原子核，就必须来变革原子核，核衰变与核反应是原子核处于变革中的生动体现，我们可以通过它们两者来研究原子核。原子核衰变即某些天然的或者人工制造的放射性元素，由于它是不稳定的，它可以通过放出某种射线而转变为另一种元素或转变到另一种状态去，核反应是指由天然的放射性物质放射出来粒子（通常是指α粒子）或者由各种各样加速器人为地加速各种荷电粒子如质子、氘核、氦核以及氧、氖直到铀核，让它们在电场或者磁场作用下受到力的推动愈跑愈快，以至得到很高能量去轰击被我们选为研究目标的原子核即靶核，使被研究的原子核发生各种各样的变化，如改变状态或者从稳定的状态变成很高的激发状态，通过放出一个或几个核子转变成另外一种原子核。世界上最早实现的核反应是六十年前做的一个实验。
1919年，物理学家卢瑟福做了一个实验：他用一个密闭的容器。然后在容器的右侧开个窗口，用银箔封住，在它外面放一个荧光屏，用一架显微镜对着荧光屏进行观察，在容器中间放一个盒子，在它一面涂有α粒子源。盒子与荧光屏的距离可以改变，由α源发射的α粒子可以被容器内的气体所吸收或被银箔所阻挡。容器的上部装有两个管道活门，一个与抽气机相联，把容器中的空气抽走，另一个待充供实验的气体。当容器充进氧气与二氧化碳时，在外面显微镜观察不到荧光屏上有任何闪光，当容器充进氮气时，却观察到许多闪光，闪光即表示有射线穿过银箔打到荧光屏上。这究竟是什么原因呢？这时卢瑟福量了一下α粒子源与屏的距离是28厘米，α粒子经过这么长的路程，加上银箔的阻挡确是打不到屏上。既然充氧气、二氧化碳时不出现闪光，在充氮气时才发现闪光，这可能是α粒子打在氮原子核上发生了什么反应，才又射出的新粒子，这新的粒子再打到屏上而发出闪光。当时卢瑟福就在这实验装置里加进电磁场偏转方法，测量新的粒子的电荷与质量，确定这个新的粒子是质子，它在空气中的射程可达40厘米。
以后又用α粒子轰击硼、氟、钠、铝和磷，都发现能打出一个质子。可是当α粒子轰击一些重原子核时，却再也不会发现这些现像了，这又是什么道理呢？原来因为整个原子核是带正电荷的，重元素原子核中质子数愈多，即带的正电荷愈多。α粒子也带有两个正电荷，由于静电的同性相斥，就使α粒子接近受击的原子核都发生困难，而且即使它们有机会碰到一起，也由于这时α粒子的动能已被消耗怠净，它没有足够的能量，能从被击核中敲出一个质子或者使受击核整体受到大的扰动，以至于把原子核中其他什么粒子激发出来。但是α粒子对于某些轻原子核如氦、铍、碳、氧……等也不能打出质子来，这又作何解释呢？这是由于这些核结合得很紧密，要打出这些核中的一个质子要花很大的能量。
看来，由天然放射性元素放出的α粒子去轰击其他原子核不是一件容易的事，由于引起真正核反应的原子核是很少很少，它好像是用步枪去射击远离几里路之外的一只苍蝇的眼睛一样，打中的机会很少。怎么办？唯一的办法就是不要吝惜枪弹，每秒钟几千万发、几亿万发的射击，才有希望打中若干个目标。天然的放射性元素每秒钟发射的“枪弹”数量不够多，“枪弹”的能量也不够大，不足以轰击很重的靶原子核，而且天然放射性放射的粒子的种类也很有限，使要实现更为广泛的原子核反应实验受到严重的限制。因此从20世纪30年代以来人们就想方设法去制造一系列各种各样的轰击原子核的“大炮”，要求每秒钟能发射数量达几亿发到万亿发甚至亿亿发的“炮弹”，“炮弹”的能量可达几百万到几千万电子伏特，让我们来看看这些轰击原子核的“大炮”吧。
（第二节 ）几种加速器的单原理
静电加速器
静电现象是人们在很久以前就发现的。大约二千年前，我国的学者王充（公元27-97年）在《论衡》中就记载了“顿牟掇芥”，顿牟就是琥珀，掇芥就是吸引轻小物体的意思。琥珀是非常好的绝缘体，当它受摩擦之后就产生静电效应，能吸小小的纸屑等东西。在日常生活中我们也许都有这样一种经验，如果从手中向泥地落下一块石头，会把泥地面撞得凹进去一点，如果石头从几层楼上落下去，那将会把泥地砸得更深，离地面越高，就相当于获得的势能越大，势能就转变成动能与泥地相撞。所以人们就设想让一个带电的粒子相对于零电位获得较高的静电势能，它也就可以从一个高电位向低电位加速地跑去，直到撞到被阻挡的靶原子核上。这就是人们用静电起电的办法，造成一个高电位差，从而让它加速带电粒子去轰击原子核的办法。
早期的静电加速器整个装置暴露在空气之中，这样受到周围环境如潮湿等的影响很大，容易击穿，电压不能升到很高，后来改进为把整个装置外面套了一个大钢桶，里面充有惰性气体。一般充几个大气压的氮气或者氟里昂（CCl2F2）气体，这样可以提高击穿电压。
在形成高电压之后，就要进一步考虑怎样让带电粒子在这高电压下均匀地加速。所以在这装置里有一个加速管G，它是由很多段陶瓷或玻璃等做成的绝缘圈和一片片金属加速电极相间封接构成。在加速管和输电带的外面均匀地彼此保持有一定间隙排列着一系列的金属制均压环，利用它使高压球极到地的电压均匀分布，使电压不致于在某处过高，以致局部击穿，破坏电压的提高。把加速管的每片加速电极与均压环相联，这样使加速管在它整个长度上的各带电电极间隙之间电压降均等，提高加速管的耐压性能。为了使带电粒子经过每节电极时被均匀地加速，并保持束流不致于散开，金属加速电极除做成圆形中孔平板之外，也有的做成圆形碟形中孔或者做成圆筒状，它除了在两个相邻电极间均匀地存在很高电压降，以加速带电粒子外，还由于电极的各种电场分布形状对被加速的粒子也起一些聚焦作用。这样有了输电带作为形成高压的手段，有了加速管作为加速粒子的机构，再在高压球极的里面、加速管的上端装上一个离子源，利用电离办法产生质子或其他带电粒子，让粒子通过一个引出装置到加速管中，经过一节节的电极加速，直达加速管的下端，去轰击靶原子核。这时带电粒子一般具有的能量，大约是几百万电子伏特到几十个百万电子伏特，这就是质子静电加速器。离子源可以做成发射其他各种离子如氦离子、氧离子和各种不同元素离子态的发射源，这时就对各种离子进行加速，在加速管下端就得到各种不同能量不同品种的离子束。如果在高压球极内安装一个发电机供电给一个发射电子的灯丝，使它不断发出电子，这就是电子枪，打出的电子也同样可以引入加速管内加速，最后打到管下端相联的靶核上，这是电子静电加速器。当然为了使带电粒子在整个被加速过程中不致与空气相撞而损失能量和发散损失，还必须把整个加速管道抽成相当高的真空，一般的要达到10-6毫米汞柱。
串列式加速器
随着加速器能量愈高，加速器中静电储能愈多，对加速器各个部件的耐压要求也越来越高。由于实验工作的要求，单级的静电加速器几个百万电子伏特能量已满足不了要求，如果能有十几兆电子伏特甚至几十兆电子伏特的静电加速器，就可以在更广泛的领域里开展研究工作。于是，就提出了二级以及三级串列加速的方法，可以把被加速的带电粒子的能量提高二倍或者三倍。
串列式加速器的起电原理与单级静电加速器相同。但二级串列可以使带电粒子加速二次，钢桶右边外面的负离子源产生负离子，经过聚焦偏转注入低能端加速管，加速管中间是带正电的高压电极，在电场的吸引下使负离子向高压电极端运动时受到加速，当到达中部高压电极时就得到正极静电加速所得到的能量，负离子在正高压电极中间通过电子剥离器，它使负离子与剥离物质的分子碰撞而失去电子转变成正离子。剥离物质通常是用薄的碳片做成，穿过剥离器出来的正离子，又受到高压正电场的排斥，得到第二次加速，就沿着加速管继续前进，并带着二次加速的能量总和飞向靶核。串列式加速器可以由四个主要系统组成，即：（1）离子源系统，它主要供应负离子，供前级加速。
（2）发生器系统，主要有输电带（或输电链和输电梯）以及起分压作用的分压电阻，电晕分压环和储能的高压电极等几个部件组成。
（3）加速管系统，对离子束进行加速。
（4）分析磁铁和开关磁铁，用以提高束流的单色性和能量稳定度。
近年来，为了尽可能提高束流的能量，还考虑在束流引出加速管经偏转磁铁后再加上一个后加速系统。后加速系统常用另一种类型的直线型加速器如螺旋波导直线加速器，束流经这种加速器再一次加速到更高能量，然后通过实验管道供实验。但为了保证串列式静电加速器的优点，即束流能量稳定性好、能散度低等优点，不宜加太多的后加速加速器。
回旋加速器和同步回旋加速器
前面已经说过，要克服更重原子核的库仑排斥位垒，就必须要有更大能量的“炮弹”才能使被研究的原子核发生各种核反应。所以还得想办法设计更好的加速器，进一步大大地提高带电粒子的能量。这里人们首先想到能否用同一电源对带电粒子多次重复加速，使粒子达到更高能量，这就是采用圆形回旋加速办法的最初想法。
我们来考虑一下带电粒子在磁场中运动的情形。根据电磁场理论，当带电粒于在磁场里作与磁力线相垂直的方向运动时，粒子将受磁场的作用，它不再是直线运动，而是作圆周运动。绕圆周旋转一周所需的时间是与磁场强度成反比，而与粒子的速度无关。
经过简单计算，可以得出粒子绕与磁力线垂直的平面作圆周回转运动的频率仅仅决定于磁场强度、粒子带的电荷以及它自身的质量；反过来说，对一个已经确定的被加速粒子而言，回旋的频率是固定的。下面我们具体介绍一下粒子被加速过程：回旋加速器结构的主要部分是两个半圆形的金属扁盒子（又称D形盒），中间相隔一个很小的距离，D形盒又装在更大的、密闭的真空室中。这真空室安放在上下两个磁极之间，磁场是垂直于盒子的平面，离子源是装在盒的中心。在两个半圆形的D形盒之间，加上高频几十兆周的交变电压，使两个D形盒之间的缝隙一直存在着高频的交变电场。当正离子产生时，如果D形盒之间形成的电场方向是从右到左，则由于我们定义电场强度的方向就是正电荷在那点受力的方向，正离子就得到初次加速跑进左边盒子里，在磁场的作用下，作圆周运动从另一端跑出左半盒；如果这时交变的高频电场强度正好改变方向，即变成由左向右方向，那么正离子又可以在从跑出左半盒经过D形盒空隙时，又得到一次加速机会跑进右半盒，同样它又在磁场作用下作圆周运动跑完右半盒；再转到D形盒当中空隙时，交变电场如果又一次改变方向，则它又得到一次从右到左的加速。上面我们已经说过，粒子的回旋频率与速度无关，即粒子每经过半圈就被交变电场加速一次，这样它就不断地在回旋运动中不断得到加速。在回旋许多次之后，亦即加速若干次之后，能量就逐渐提高，回旋的半径亦逐渐增大。回旋加速器在加速几十兆伏能量以下粒子时是一个很好的设备。但是被加速的粒子能量能不能单靠加大磁极直径而获得很高呢？我们来分析一下这个情况，当粒子的能量不断增加到一个较大数值时，如果高频交变电场的频率和磁极的磁场强度不变，则可能发生粒子非但不被加速反而会受到减速的情形，这是为什么呢？因为这时发生了相对论效应。即这时被加速的粒子质量会由于速度的增加而增大。
要解决回旋加速器中相对论性效应有什么办法吗？我们从它发生问题的原因中很容易知道，它的主要矛盾是当粒子能量增大时，即速度大的时候质量变大，因而粒子在磁场中的回旋频率f0与高频交变电场固定频率f0（指高频发生器频率）因前者变小而不同步。我们抓住这个主要矛盾，想办法把原来固定的高频电场频率f0变成可变的，调到它使f0与f0同步，即f0随着f0的减小而减小，也就是说交变电场的周期随时间从中心到D形盒外缘逐步加长。这样仍然保证粒子在通过D形盒缝隙时，始终得到加速方向的电场，这就是同步稳相回旋加速器的设计原理。高频交变电场频率f0的改变通常可以通过振荡电路电容的机械改变办法来实现，采取同步回旋加速器就可以把粒子加速到几百兆电子伏的能量。
回旋加速器能加速电子吗？不行！回旋加速器在加速电子时遇到的麻烦很大，因为电子质量小，相对论效应在很低能量时就暴露出来，如电子在10MeV时，它的质量已经是静止质量的20倍，这样就得不到高能电子。因而如果仍然想采用圆形轨道加速电子，就必须另找途径。
电子感应加速器