На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









19. В погоне за большими скоростями

Один из распространенных методов исследования атомного ядра — бомбардировка его другими частицами: α-частицами, нейтронами, протонами, электронами и т. д. Если, например поток протонов направляется к ядру, то часть из них, столкнувшись с ядром атома, будет разлетаться по всевозможным направлениям. По характеру рассеяния протонов можно сделать определенные выводы о силовом поле, окружающем ядро. Чем больше скорость протонов, тем ближе они смогут подходить к ядру и тем больше сведений они дадут о строении ядра. Рассмотрим другой пример. Если на пути летящих с громадными скоростями электронов поставить мишень из металлической пластинки, то электроны, сталкиваясь с мишенью, будут резко тормозиться. При этом их кинетическая энергия будет переходить в γ-кванты. Чем больше будет скорость электронов, тем короче длина волны тормозного γ-излучения и тем больше будет его энергия, т. е. тем «жестче» будут возникающие γ-лучи.
 
В результате столкновения частиц высокой энергии (например, быстрых протонов) с ядрами атомов могут возникнуть мезоны. Чем быстрее движутся сталкивающиеся между собой частицы, тем многообразнее процессы, которые могут возникнуть в результате таких столкновений. Изучая эти процессы, ученые получают все больше сведений о строении материи. Много интересных процессов происходит в земной атмосфере под воздействием космических лучей. Космическое пространство образует как бы гигантскую лабораторию, откуда мы все время черпаем новые данные о свойствах и поведении мельчайших «кирпичиков» материи. Космическая лаборатория, однако, имеет большой недостаток — стихийность происходящих в ней процессов. Исследователь должен ждать, пока случайно не нападет на интересующий его процесс. Для детального же изучения процесса нужно уметь управлять им и искусственно его вызывать в лабораторных условиях. Для этих целей необходимо иметь только достаточно быстрые элементарные частицы. Безразлично, имеем ли мы дело с быстрым протоном, источником которого являются космические лучи, или же мы имеем дело с протоном, который мы получили на специальных установках, ускоряющих протоны. Процессы, вызванные им, будут в обоих случаях одинаковыми.
 
До 1930 г. электроны и протоны ускоряли с помощью высокого напряжения. В таком ускорителе электроны приобретали энергию до миллиона электронвольт.
 
Уже в первых циклотронах протоны могли приобретать почти в 25 раз большую энергию. (Циклотрон был изобретен в 1930 г.) Упрощенная схема циклотрона представлена на рис. 43. Основные элементы циклотрона: электромагнит постоянного тока, вакуумная камера, которая помещается в зазоре магнита, ионный источник и ускоряющее устройство. Ускоряющее устройство состоит из круглой металлической коробки, разрезанной пополам (дуантов), и генератора переменного напряжения. В циклотроне протоны ускоряются периодически изменяющимся электрическим полем в щели между дуантами. Благодаря наличию магнитного поля внутри дуантов протоны движутся по спиральной траектории. С каждым прохождением ускоряющей зоны энергия протонов возрастает. Казалось бы, таким путем протоны можно ускорять до сколь угодно больших энергий. В действительности это не так. Дело в том, что когда кинетическая энергия протонов в циклотроне приближается к 20 Мэв, их скорость будет уже 60 000 км/сек. Масса такого протона на 2 % больше массы покоя. Из-за увеличившейся массы быстрые протоны больше не успевают вовремя прийти в ускоряющую зону. К тому времени, как опоздавшие протоны достигают ускоряющей зоны, напряжение там уже спадает, и ускорения их больше не происходит.
 
Чтобы ускорять элементарные частицы до больших скоростей, нужно при конструировании ускорителя учитывать законы теории относительности. Особенно большие заслуги в создании теории современных ускорителей принадлежат советскому физику лауреату Ленинской премии академику В. И. Векслеру.

Чтобы получить представление о современных ускорителях, приведем некоторые данные о синхрофазотроне, который работает в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. Этот ускоритель сообщает протонам энергию до 10 000 Мэв (1010 эв). Скорость протонов в ускорителе достигает примерно 298 000 км/сек, а их масса в 10 раз больше массы покоя. Такие скорости уже сравнимы со скоростями космических частиц. Поэтому синхрофазотрон иногда называют также космотроном. Для приобретения энергии 1010 эв протоны должны совершить в синхрофазотроне 4,5 миллиона оборотов по окружности диаметром в 56 м. Это значит, что протоны должны пройти путь длиной в 800 000 км, при этом они не должны заметно отклоняться в сторону. Отсюда видно, с какой точностью нужно учесть все особенности движения протонов, в том числе и увеличение их массы при возрастании скорости. Даже незначительная погрешность в конструкции установки, отклоняющая протоны от их пути, может нарушить нормальную работу синхрофазотрона. В Советском Союзе сейчас строится ускоритель протонов, рассчитанный на энергию от 50 000 до 70 000 Мэв. Скорость протонов в таких ускорителях будет свыше 99,99% скорости света.
 
До очень больших скоростей удалось разогнать электроны на современных ускорителях. Так, например, на циклическом ускорителе электронов Кембриджского университета (США) энергия электронов достигает 6000 Мэв, диаметр этого ускорителя около 50 м. Скорость электрона, обладающего такой энергией, составляет 99,9999996% скорости света, а масса в 12 000 раз больше массы покоящегося электрона! Это уже близко к пределу. Успех создания еще более мощных ускорителей по старым принципам становится сомнительным. Аппаратура стала бы уж слишком сложной и громоздкой. И опять на помощь приходит теория относительности, указывая путь получения еще больших энергий.
 
В Сибирском отделении АН СССР (в Новосибирске) пущен ускоритель, в котором сталкиваются электроны с энергией до 70 000 Мэв. Эта энергия более чем в 10 раз выше той, что дает кембриджский ускоритель. В то же время поперечник новосибирского ускорителя только немногим больше 2 м. Как же это удалось осуществить? В принципе очень просто: физики заставляют сталкиваться два пучка электронов, энергия каждого всего 130 Мэв. В результате столкновения получаются электроны с энергией 70 000 Мэв. Такой кажущийся невероятным результат есть один из эффектов теории относительности.

Энергия покоя электрона m0с2 составляет около 0,5 Мэв. С помощью формулы (7) нетрудно вычислить, что скорость электрона с энергией 130 Мэв составляет 99,9993% скорости света. Пусть сталкиваются два таких пучка. Согласно релятивистскому закону сложения скоростей (2), относительная скорость пучков равна 99,999 999 998% скорости света. Подставляя значение этой скорости в формулу (7), сможем вычислить энергию, с которой происходят соударения электронов. Это и даст как раз 70 000 Мэв. Использование законов теории относительности позволило значительно повысить эффективность ускорителя и существенно уменьшить его размеры.
 
В Новосибирске запущен также ускоритель (поперечные размеры ускорителя всего 5 м), в котором сталкиваются ускоренные до 700 Мэв электроны и позитроны. В ускорителе происходит соударение электронов и позитронов с энергией до 2 000 000 Мэв. Это фантастическая энергия. Скорость электронов такой энергии отличается от скорости света уже настолько мало, что в свободном полете электрон отстал бы от светового сигнала в течение года меньше чем на 1 мм. Если бы мы вздумали получить электроны с энергией в 2 000 000 Мэв с помощью линейного ускорителя, то пришлось бы построить ускоритель длиной в сотни километров. Нужны ли еще более очевидные подтверждения практического значения теории относительности?!



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:


Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.