Один із поширених методів дослідження атомного ядра — бомбардування його іншими частинками: α-частинками, нейтронами, протонами, електронами тощо. Якщо, наприклад, потік протонів спрямовується до ядра, то частина з них, зіткнувшись з ядром атома, розлітатиметься в усіх можливих напрямках. За характером розсіяння протонів можна зробити певні висновки про силове поле, що оточує ядро. Чим більша швидкість протонів, тим ближче вони зможуть підходити до ядра і тим більше відомостей вони дадуть про будову ядра. Розглянемо інший приклад. Якщо на шляху електронів, що летять з величезними швидкостями, поставити мішень з металевої пластинки, то електрони, зіткнувшись з мішенню, різко гальмуватимуться. При цьому їхня кінетична енергія переходитиме в γ-кванти. Чим більша буде швидкість електронів, тим коротша довжина хвилі гальмівного γ-випромінювання і тим більша буде його енергія, тобто тим «жорсткішими» будуть γ-промені, що виникають.
Внаслідок зіткнення частинок високої енергії (наприклад, швидких протонів) з ядрами атомів можуть виникнути мезони. Чим швидше рухаються частинки, що стикаються між собою, тим різноманітніші процеси можуть виникнути внаслідок таких зіткнень. Вивчаючи ці процеси, вчені дістають дедалі більше відомостей про будову матерії. Багато цікавих процесів відбувається в земній атмосфері під дією космічних променів. Космічний простір утворює ніби гігантську лабораторію, з якої ми постійно черпаємо нові дані про властивості й поведінку наймenших «цеглинок» матерії. Космічна лабораторія, проте, має великий недолік — стихійність процесів, що в ній відбуваються. Дослідник мусить чекати, поки випадково не натрапить на процес, що його цікавить. Для детального ж вивчення процесу треба вміти керувати ним і штучно його викликати в лабораторних умовах. Для цього потрібно мати лише достатньо швидкі елементарні частинки. Байдуже, чи маємо ми справу зі швидким протоном, джерелом якого є космічні промені, чи з протоном, який ми дістали на спеціальних установках, що прискорюють протони. Процеси, викликані ним, будуть в обох випадках однаковими.
До 1930 р. електрони й протони прискорювали за допомогою високої напруги. У такому прискорювачі електрони набували енергії до мільйона електронвольтів.
Вже в перших циклотронах протони могли набувати майже в 25 разів більшої енергії. (Циклотрон було винайдено в 1930 р.) Спрощену схему циклотрона подано на рис. 43. Основні елементи циклотрона: електромагніт постійного струму, вакуумна камера, що міститься в зазорі магніту, іонне джерело і прискорювальний пристрій. Прискорювальний пристрій складається з круглої металевої коробки, розрізаної навпіл (дуантів), і генератора змінної напруги. У циклотроні протони прискорюються електричним полем, що періодично змінюється, у щілині між дуантами. Завдяки наявності магнітного поля всередині дуантів протони рухаються по спіральній траєкторії. З кожним проходженням прискорювальної зони енергія протонів зростає. Здавалося б, таким шляхом протони можна прискорювати до скільки завгодно великих енергій. Насправді це не так. Річ у тім, що коли кінетична енергія протонів у циклотроні наближається до 20 МеВ, їхня швидкість буде вже 60 000 км/с. Маса такого протона на 2 % більша за масу спокою. Через збільшену масу швидкі протони більше не встигають вчасно прийти в прискорювальну зону. До того часу, як запізнілі протони досягають прискорювальної зони, напруга там уже спадає, і прискорення їх більше не відбувається.
Щоб прискорювати елементарні частинки до великих швидкостей, треба під час конструювання прискорювача враховувати закони теорії відносності. Особливо великі заслуги в створенні теорії сучасних прискорювачів належать радянському фізику, лауреату Ленінської премії, академіку В. І. Векслеру.
Щоб дістати уявлення про сучасні прискорювачі, наведемо деякі дані про синхрофазотрон, що працює в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у м. Дубні. Цей прискорювач повідомляє протонам енергію до 10 000 МеВ (1010 еВ). Швидкість протонів у прискорювачі досягає приблизно 298 000 км/с, а їхня маса у 10 разів більша за масу спокою. Такі швидкості вже зіставні зі швидкостями космічних частинок. Тому синхрофазотрон іноді називають також космотроном. Для набуття енергії 1010 еВ протони мають зробити в синхрофазотроні 4,5 мільйона обертів по колу діаметром 56 м. Це означає, що протони мають пройти шлях завдовжки 800 000 км, і при цьому вони не повинні помітно відхилятися вбік. Звідси видно, з якою точністю треба врахувати всі особливості руху протонів, зокрема й збільшення їхньої маси при зростанні швидкості. Навіть незначна похибка в конструкції установки, що відхиляє протони від їхнього шляху, може порушити нормальну роботу синхрофазотрона. У Радянському Союзі нині будується прискорювач протонів, розрахований на енергію від 50 000 до 70 000 МеВ. Швидкість протонів у таких прискорювачах буде понад 99,99% швидкості світла.
До дуже великих швидкостей вдалося розігнати електрони на сучасних прискорювачах. Так, наприклад, на циклічному прискорювачі електронів Кембриджського університету (США) енергія електронів досягає 6000 МеВ, діаметр цього прискорювача близько 50 м. Швидкість електрона, що має таку енергію, становить 99,9999996% швидкості світла, а маса у 12 000 разів більша за масу електрона, що перебуває в спокої! Це вже близько до межі. Успіх створення ще потужніших прискорювачів за старими принципами стає сумнівним. Апаратура стала б надто складною й громіздкою. І знову на допомогу приходить теорія відносності, вказуючи шлях до одержання ще більших енергій.
У Сибірському відділенні АН СРСР (у Новосибірську) пущено прискорювач, у якому стикаються електрони з енергією до 70 000 МеВ. Ця енергія більш ніж у 10 разів вища за ту, що її дає кембриджський прискорювач. Водночас поперечник новосибірського прискорювача лише трохи більший за 2 м. Як же це вдалося здійснити? У принципі дуже просто: фізики змушують стикатися два пучки електронів, енергія кожного лише 130 МеВ. Внаслідок зіткнення виходять електрони з енергією 70 000 МеВ. Такий на вигляд неймовірний результат є одним з ефектів теорії відносності.
Енергія спокою електрона m0c2 становить близько 0,5 МеВ. За допомогою формули (7) неважко обчислити, що швидкість електрона з енергією 130 МеВ становить 99,9993% швидкості світла. Нехай стикаються два таких пучки. Згідно з релятивістським законом додавання швидкостей (2), відносна швидкість пучків дорівнює 99,999 999 998% швидкості світла. Підставляючи значення цієї швидкості у формулу (7), зможемо обчислити енергію, з якою відбуваються зіткнення електронів. Це й дасть якраз 70 000 МеВ. Використання законів теорії відносності дало змогу значно підвищити ефективність прискорювача й істотно зменшити його розміри.
У Новосибірську запущено також прискорювач (поперечні розміри прискорювача лише 5 м), у якому стикаються електрони й позитрони, прискорені до 700 МеВ. У прискорювачі відбувається зіткнення електронів і позитронів з енергією до 2 000 000 МеВ. Це фантастична енергія. Швидкість електронів такої енергії відрізняється від швидкості світла вже настільки мало, що у вільному польоті електрон відстав би від світлового сигналу протягом року менш ніж на 1 мм. Якби ми надумали одержати електрони з енергією в 2 000 000 МеВ за допомогою лінійного прискорювача, то довелося б збудувати прискорювач завдовжки в сотні кілометрів. Чи потрібні ще очевидніші підтвердження практичного значення теорії відносності?!
Внаслідок зіткнення частинок високої енергії (наприклад, швидких протонів) з ядрами атомів можуть виникнути мезони. Чим швидше рухаються частинки, що стикаються між собою, тим різноманітніші процеси можуть виникнути внаслідок таких зіткнень. Вивчаючи ці процеси, вчені дістають дедалі більше відомостей про будову матерії. Багато цікавих процесів відбувається в земній атмосфері під дією космічних променів. Космічний простір утворює ніби гігантську лабораторію, з якої ми постійно черпаємо нові дані про властивості й поведінку наймenших «цеглинок» матерії. Космічна лабораторія, проте, має великий недолік — стихійність процесів, що в ній відбуваються. Дослідник мусить чекати, поки випадково не натрапить на процес, що його цікавить. Для детального ж вивчення процесу треба вміти керувати ним і штучно його викликати в лабораторних умовах. Для цього потрібно мати лише достатньо швидкі елементарні частинки. Байдуже, чи маємо ми справу зі швидким протоном, джерелом якого є космічні промені, чи з протоном, який ми дістали на спеціальних установках, що прискорюють протони. Процеси, викликані ним, будуть в обох випадках однаковими.
До 1930 р. електрони й протони прискорювали за допомогою високої напруги. У такому прискорювачі електрони набували енергії до мільйона електронвольтів.
Вже в перших циклотронах протони могли набувати майже в 25 разів більшої енергії. (Циклотрон було винайдено в 1930 р.) Спрощену схему циклотрона подано на рис. 43. Основні елементи циклотрона: електромагніт постійного струму, вакуумна камера, що міститься в зазорі магніту, іонне джерело і прискорювальний пристрій. Прискорювальний пристрій складається з круглої металевої коробки, розрізаної навпіл (дуантів), і генератора змінної напруги. У циклотроні протони прискорюються електричним полем, що періодично змінюється, у щілині між дуантами. Завдяки наявності магнітного поля всередині дуантів протони рухаються по спіральній траєкторії. З кожним проходженням прискорювальної зони енергія протонів зростає. Здавалося б, таким шляхом протони можна прискорювати до скільки завгодно великих енергій. Насправді це не так. Річ у тім, що коли кінетична енергія протонів у циклотроні наближається до 20 МеВ, їхня швидкість буде вже 60 000 км/с. Маса такого протона на 2 % більша за масу спокою. Через збільшену масу швидкі протони більше не встигають вчасно прийти в прискорювальну зону. До того часу, як запізнілі протони досягають прискорювальної зони, напруга там уже спадає, і прискорення їх більше не відбувається.
Щоб прискорювати елементарні частинки до великих швидкостей, треба під час конструювання прискорювача враховувати закони теорії відносності. Особливо великі заслуги в створенні теорії сучасних прискорювачів належать радянському фізику, лауреату Ленінської премії, академіку В. І. Векслеру.
Щоб дістати уявлення про сучасні прискорювачі, наведемо деякі дані про синхрофазотрон, що працює в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у м. Дубні. Цей прискорювач повідомляє протонам енергію до 10 000 МеВ (1010 еВ). Швидкість протонів у прискорювачі досягає приблизно 298 000 км/с, а їхня маса у 10 разів більша за масу спокою. Такі швидкості вже зіставні зі швидкостями космічних частинок. Тому синхрофазотрон іноді називають також космотроном. Для набуття енергії 1010 еВ протони мають зробити в синхрофазотроні 4,5 мільйона обертів по колу діаметром 56 м. Це означає, що протони мають пройти шлях завдовжки 800 000 км, і при цьому вони не повинні помітно відхилятися вбік. Звідси видно, з якою точністю треба врахувати всі особливості руху протонів, зокрема й збільшення їхньої маси при зростанні швидкості. Навіть незначна похибка в конструкції установки, що відхиляє протони від їхнього шляху, може порушити нормальну роботу синхрофазотрона. У Радянському Союзі нині будується прискорювач протонів, розрахований на енергію від 50 000 до 70 000 МеВ. Швидкість протонів у таких прискорювачах буде понад 99,99% швидкості світла.
До дуже великих швидкостей вдалося розігнати електрони на сучасних прискорювачах. Так, наприклад, на циклічному прискорювачі електронів Кембриджського університету (США) енергія електронів досягає 6000 МеВ, діаметр цього прискорювача близько 50 м. Швидкість електрона, що має таку енергію, становить 99,9999996% швидкості світла, а маса у 12 000 разів більша за масу електрона, що перебуває в спокої! Це вже близько до межі. Успіх створення ще потужніших прискорювачів за старими принципами стає сумнівним. Апаратура стала б надто складною й громіздкою. І знову на допомогу приходить теорія відносності, вказуючи шлях до одержання ще більших енергій.
У Сибірському відділенні АН СРСР (у Новосибірську) пущено прискорювач, у якому стикаються електрони з енергією до 70 000 МеВ. Ця енергія більш ніж у 10 разів вища за ту, що її дає кембриджський прискорювач. Водночас поперечник новосибірського прискорювача лише трохи більший за 2 м. Як же це вдалося здійснити? У принципі дуже просто: фізики змушують стикатися два пучки електронів, енергія кожного лише 130 МеВ. Внаслідок зіткнення виходять електрони з енергією 70 000 МеВ. Такий на вигляд неймовірний результат є одним з ефектів теорії відносності.
Енергія спокою електрона m0c2 становить близько 0,5 МеВ. За допомогою формули (7) неважко обчислити, що швидкість електрона з енергією 130 МеВ становить 99,9993% швидкості світла. Нехай стикаються два таких пучки. Згідно з релятивістським законом додавання швидкостей (2), відносна швидкість пучків дорівнює 99,999 999 998% швидкості світла. Підставляючи значення цієї швидкості у формулу (7), зможемо обчислити енергію, з якою відбуваються зіткнення електронів. Це й дасть якраз 70 000 МеВ. Використання законів теорії відносності дало змогу значно підвищити ефективність прискорювача й істотно зменшити його розміри.
У Новосибірську запущено також прискорювач (поперечні розміри прискорювача лише 5 м), у якому стикаються електрони й позитрони, прискорені до 700 МеВ. У прискорювачі відбувається зіткнення електронів і позитронів з енергією до 2 000 000 МеВ. Це фантастична енергія. Швидкість електронів такої енергії відрізняється від швидкості світла вже настільки мало, що у вільному польоті електрон відстав би від світлового сигналу протягом року менш ніж на 1 мм. Якби ми надумали одержати електрони з енергією в 2 000 000 МеВ за допомогою лінійного прискорювача, то довелося б збудувати прискорювач завдовжки в сотні кілометрів. Чи потрібні ще очевидніші підтвердження практичного значення теорії відносності?!