Як працюють прискорювачі заряджених частинок
З часів знаменитих дослідів Ернеста Резерфорда по розсіюванню альфа-частинок з радіоактивного джерела на мішені, що дозволили підтвердити гіпотезу «сонячної» моделі атома, фізики намагалися знайти спосіб отримувати швидкі частинки для зондування ними речовини. Так прийшли до прискорювачів – пристроїв, які розганяють частки до певного рівня енергії. Прискорювач діє на частинку, навіть штучно створену, тільки якщо вона володіє електричним зарядом. Такі частинки реагують на вплив електричних і магнітних полів, завдяки чому прискорювачі одночасно змушують їх розганятися і керують їх рухом.
Енергія частинок вимірюється в спеціальних одиницях – електронвольтах. Один електронвольт (1 еВ) – це енергія, яку отримує електрон, пройшовши різниця потенціалів в 1 вольт (В), переходячи від мінуса до плюс.
Прискорювачі заряджених частинок класифікуються за типом елементарних частинок, з якими працюють. Протонні та йонні займаються важкими частинками, позитронні та електронні – легкими. На прискорювачах працюють і з вторинними частками, що утворюються в процесі взаємодії пришвидшених частинок з частинками мішенями або примушуючи їх стикатися одна з одною. В цьому випадку можна отримувати і нейтральні (що не мають електричного заряду) частки: нейтрони, нейтрино, нейтральні піони. А ще кварки, що несуть дробовий заряд, і їх похідні: мезони, піони, різні атомні ядра, екзотичні частинки.
Сучасні прискорювачі високих енергій – це тунелі довжиною від сотень метрів до кілометрів, сотні тонн магнітів і міжнародні команди вчених з десятків країн, що керують цим складним експериментальним пристроєм.
Найпростіший прискорювач можна зробити і вдома. Достатньо взяти електричну лампочку розжарювання, обов`язково з ниткою розжарювання; надіти на скляний балон лампочки металеве кільце і підключити її до батарейки кишенькового ліхтарика. Переконавшись, що вона світиться, підключити додатково лампочку до другої батарейки, подавши мінус на цоколь лампочки, а плюс до одягненого на неї металевого кільця. Прискорювач починає «працювати»: з нитки розжарення вилітають електрони і прискорюються електричним полем другої батарейки. У цьому можна переконатися, включивши між цоколем і кільцем мікроамперметр («тестер»), який покаже струм електронів, що пролітають через вакуум лампочки до кільця. Правда, дуже швидко електрони зарядять скло лампочки і будуть від нього відбиватися – струм припиниться. Це можна зафіксувати експериментально. Досить підвісити на ниточці металева кулька та по її відхилення від вертикалі виявити електричне поле заряду скла, як колись робив Шарль Кулон в 1785 році.
Електрони, прискорені напругою між ниткою і лампою, будуть при гальмуванні випускати інфрачервоне випромінювання. Цікаво, що рентгенівське джерело випромінювання працює приблизно так само: електрони, прискорені від десятків до сотень кеВ (в залежності від завдання), бомбардують мішень і випускають при цьому електромагнітні хвилі рентгенівського діапазону.