Номер 1, страница 381 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Ускорители заряженных частиц. История создания, устройство и применение. инейные и циклические ускорители. Бетатрон, циклотрон, фазотрон, синхротрон и синхрофазотрон. Линейные и кольцевые коллайдеры. Большой адронный коллайдер.

Ускорители заряженных частиц. История создания, устройство и применение.

Ускорители заряженных частиц — это установки, предназначенные для получения пучков заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) высоких энергий. Основной принцип их работы заключается в воздействии на частицы электрическим и магнитным полями. Электрическое поле ($\text{E}$) непосредственно ускоряет частицу, сообщая ей кинетическую энергию (сила $F = qE$, где $\text{q}$ — заряд частицы). Магнитное поле ($\text{B}$) используется для управления траекторией пучка — его отклонения и фокусировки (сила Лоренца $F = q[\vec{v} \times \vec{B}]$, где $\vec{v}$ — скорость частицы).

История создания: Потребность в ускорителях возникла в начале XX века для изучения строения атомного ядра. Первые эксперименты по бомбардировке мишеней проводились с использованием естественных источников — радиоактивных элементов.

• 1928 г. — Рольф Видероэ строит первый в мире линейный ускоритель, работающий по принципу резонансного ускорения.
• 1929 г. — Роберт Ван де Грааф изобретает электростатический генератор, способный создавать высокое напряжение для прямого ускорения частиц.
• 1932 г. — Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон создают каскадный генератор (умножитель напряжения) и впервые в истории осуществляют искусственное расщепление атомного ядра, ускоряя протоны до энергии 700 кэВ.
• 1932 г. — Эрнест Лоуренс запускает первый циклотрон — компактный циклический ускоритель, который стал прорывом в получении частиц высоких энергий и принес ему Нобелевскую премию.

Устройство и применение: Современный ускоритель состоит из источника частиц, вакуумной камеры (где движутся частицы, чтобы избежать столкновений с молекулами воздуха), ускоряющих структур (резонаторов с переменным электрическим полем) и системы магнитов (дипольных для поворота пучка и квадрупольных для его фокусировки).

Применения ускорителей разнообразны:

• Фундаментальная наука: Изучение элементарных частиц и сил, действующих между ними, проверка Стандартной модели, поиски новой физики.
• Медицина: Лучевая терапия онкологических заболеваний (в том числе протонная и ионная терапия), производство радиоизотопов для диагностики (например, для ПЭТ).
• Промышленность: Ионная имплантация для создания полупроводников, стерилизация медицинских инструментов и пищевых продуктов, модификация свойств материалов, контроль качества сварных швов.
• Безопасность: Системы досмотра крупногабаритных грузов и контейнеров.

Ответ:

Линейные и циклические ускорители.

Все ускорители делятся на два больших класса по форме траектории частиц.

Линейные ускорители (ЛУ, или linac): В этих установках частицы ускоряются, двигаясь по прямой линии. Они проходят через последовательность ускоряющих секций (трубок или резонаторов), в которых создается переменное электрическое поле, синхронизированное с движением частиц. Каждый раз, пролетая через зазор между секциями, частица получает "толчок" и увеличивает свою энергию. Длина такого ускорителя напрямую связана с конечной энергией частиц. Линейные ускорители особенно эффективны для ускорения легких частиц (электронов), так как на прямой траектории отсутствуют потери энергии на синхротронное излучение. Примером является Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC) длиной более 3 км.

Циклические ускорители: В этих установках частицы движутся по замкнутой (круговой или спиральной) траектории под действием сильного магнитного поля. Это позволяет им многократно проходить через одни и те же ускоряющие секции, что делает установку гораздо более компактной по сравнению с линейным ускорителем на ту же энергию. Однако при движении по криволинейной траектории заряженные частицы излучают электромагнитные волны (синхротронное излучение), теряя часть своей энергии. Эти потери особенно велики для легких частиц (электронов) и растут с увеличением энергии. К циклическим ускорителям относятся циклотрон, бетатрон, фазотрон, синхротрон.

Ответ:

Бетатрон, циклотрон, фазотрон, синхротрон и синхрофазотрон.

• Бетатрон: Циклический индукционный ускоритель для электронов (бета-частиц). Он работает как трансформатор, где первичной обмоткой является электромагнит, а вторичной — вакуумная камера с электронным пучком. Изменение магнитного потока создает вихревое электрическое поле, которое ускоряет электроны. То же магнитное поле удерживает электроны на орбите постоянного радиуса.
• Циклотрон: Ускоритель, в котором частицы движутся по спирали от центра к периферии. Он состоит из двух D-образных полых электродов (дуантов), помещенных в постоянное однородное магнитное поле. Между дуантами прикладывается высокочастотное переменное напряжение. Частица ускоряется каждый раз, пересекая зазор. Частота обращения частицы $f = qB / (2\pi m)$ остается постоянной, пока ее скорость мала по сравнению со скоростью света. При высоких энергиях релятивистское увеличение массы ($\text{m}$) нарушает синхронизм, что ограничивает максимальную энергию циклотрона.
• Фазотрон (синхроциклотрон): Модификация циклотрона для достижения более высоких энергий. Для компенсации релятивистского роста массы частота ускоряющего напряжения плавно уменьшается в процессе ускорения. Это позволяет поддерживать синхронизм, но частицы ускоряются прерывисто, порциями (сгустками).
• Синхротрон: Самый распространенный тип ускорителей для получения сверхвысоких энергий. В синхротроне частицы движутся по кольцевой траектории постоянного радиуса. Для этого по мере роста энергии частиц синхронно увеличивается как ведущее магнитное поле ($\text{B}$), так и частота ускоряющего электрического поля ($\text{f}$). Это позволяет создать ускорители очень больших размеров (десятки километров) и достигать колоссальных энергий.
• Синхрофазотрон: Исторически это название применялось к протонным синхротронам, построенным в СССР (например, в Дубне). Принцип действия основан на явлении автофазировки, которое обеспечивает устойчивость движения пучка частиц относительно фазы ускоряющего поля. По сути, это синоним протонного синхротрона.

Ответ:

Линейные и кольцевые коллайдеры.

Коллайдер (от англ. collide — сталкивать) — это тип ускорительной установки, в которой эксперименты проводятся не на неподвижной мишени, а на встречных пучках частиц. Два пучка частиц ускоряются и направляются навстречу друг другу, сталкиваясь в специальных точках, где расположены детекторы.

Главное преимущество коллайдеров — огромный выигрыш в энергии взаимодействия. При столкновении частицы с энергией $\text{E}$ с неподвижной мишенью энергия в системе центра масс, которая может пойти на рождение новых частиц, пропорциональна $\sqrt{E}$. В коллайдере при лобовом столкновении двух частиц с энергией $\text{E}$ каждая, полная энергия в системе центра масс равна $ ext{2E}$. Это позволяет достигать гораздо более высоких эффективных энергий столкновений.

Кольцевые (циклические) коллайдеры: Два пучка частиц (например, протон-протонные или электрон-позитронные) циркулируют в противоположных направлениях в одном или двух вакуумных кольцах и сталкиваются в точках пересечения орбит. Примеры: Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе, ранее работал коллайдер Тэватрон в США. Они эффективны для адронов (протонов), но для легких лептонов (электронов) их энергия сильно ограничена потерями на синхротронное излучение.

Линейные коллайдеры: Представляют собой два линейных ускорителя, направленных друг на друга. Сгустки частиц ускоряются в них и сталкиваются только один раз, после чего рассеявшиеся частицы поглощаются. Отсутствие изгибов траектории означает отсутствие потерь на синхротронное излучение, что делает эту схему перспективной для будущих электрон-позитронных коллайдеров на сверхвысокие энергии (например, проекты ILC и CLIC).

Ответ:

Большой адронный коллайдер.

Большой адронный коллайдер (БАК, или LHC — Large Hadron Collider) — это самый большой и самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц. Он расположен в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, CERN) на границе Швейцарии и Франции.

Основные характеристики:

• Это кольцевой коллайдер-синхротрон с длиной основного кольца около 27 километров. Он расположен в туннеле на глубине около 100 метров.
• Он предназначен для ускорения и столкновения адронов — в основном протонов (p+p), а также тяжелых ионов свинца (Pb+Pb).
• Два пучка протонов ускоряются в противоположных направлениях до энергии 6.8 ТэВ (тераэлектронвольт) на протон, что дает суммарную энергию столкновения в 13.6 ТэВ.
• Для удержания протонов на кольцевой орбите используется мощнейшее магнитное поле, создаваемое более чем 1200 сверхпроводящими дипольными магнитами, охлажденными до температуры 1.9 К (–271.3 °C), что холоднее, чем в открытом космосе.
• Столкновения пучков происходят в четырех точках, вокруг которых построены гигантские детекторы частиц: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Эти детекторы регистрируют продукты столкновений, позволяя физикам восстанавливать картину произошедшего взаимодействия.

Цели и достижения: Основная задача БАК — изучение фундаментальных законов природы, поиск ответов на вопросы о строении материи, происхождении массы, природе темной материи и темной энергии. Главным триумфом БАК стало открытие в 2012 году бозона Хиггса — последней недостающей частицы Стандартной модели. Эксперименты на коллайдере также позволяют изучать свойства кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, которое существовало в первые мгновения после Большого взрыва.

Ответ: