Hea ülevaatlik klipp
16. november 2006
Kasutatud kirjandus
GIANCOLI, D.C. Physics principles with applications. 5 tr. New Jersey: Prentice Hall, 1998.
Dictionary of Physics. 1 – 4 kõide. Spektrum Akademischer Verlag, 2004.
ZITOUN, ROBERT La physique des particules. Paris: Éditions Nathan, 1998. Lk 14 - 20
http://public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr.html
http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/RF_cavity/ex.html kiirendi mäng
Dictionary of Physics. 1 – 4 kõide. Spektrum Akademischer Verlag, 2004.
ZITOUN, ROBERT La physique des particules. Paris: Éditions Nathan, 1998. Lk 14 - 20
http://public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr.html
http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/RF_cavity/ex.html kiirendi mäng
Kollaiderid
Kollaiderid
Tüüpilised kõrge energiaga füüsika katsed viiakse läbi järgnevalt: kiirendist väljunud osakesed tabavad paigalseisvat sihtmärki. Alternatiivne meetod kokkupõrke energi kasvatamiseks on kasutada kokkupõrkavaid osakeste voogusid – see tähendab et lisaks pommitatavatele osaksetele liiguvad ka sihtmärk osakesed. Kaks osakeste voogu pannakse põrkuma. Üks võimalus seda läbi viia on tavalise sünkrotron kiirendiga, kui siis tuleb sinna veel rajada üks väiksem varu ring. Kiirendi kiirendab ühte tüüpi osakesi (elektrone või prootoneid) maksimaalse energiani ja siis magnetiga juhitakse need osakesed varu kiirendisse, kus osakesed jätkavad tiirlemist mitmeid tunde. Siis kiirendatakse teist tüüpi osakesi (positrone või antiprootoneid), või või teist gruppi esimesest tüübist (nagu prootonid). Kaks osakeste voogu pannakse liikuma vastas suundades ja siis põrgatatakse nad kokku. Selliseid eksperimente tehakse näiteks CERN’is Fermilaboratooriumis ja Stanfordis ja need mängivad tähtsat rolli hiljutistes edusammudes elementaarosakeste füüsikas. Suurim Large Electron-Positron (LEP) Collider asus CERN’is ja tema ringi pikkus oli 26.7 km ja avati 1989. aastal. Seal tehti katseid e+ja e- vastastikku põrgatamistega. Mõlemad osaksesed kiirendati 93 GeV ja kogu interaktsiooni energia oli 186 GeV.
Tüüpilised kõrge energiaga füüsika katsed viiakse läbi järgnevalt: kiirendist väljunud osakesed tabavad paigalseisvat sihtmärki. Alternatiivne meetod kokkupõrke energi kasvatamiseks on kasutada kokkupõrkavaid osakeste voogusid – see tähendab et lisaks pommitatavatele osaksetele liiguvad ka sihtmärk osakesed. Kaks osakeste voogu pannakse põrkuma. Üks võimalus seda läbi viia on tavalise sünkrotron kiirendiga, kui siis tuleb sinna veel rajada üks väiksem varu ring. Kiirendi kiirendab ühte tüüpi osakesi (elektrone või prootoneid) maksimaalse energiani ja siis magnetiga juhitakse need osakesed varu kiirendisse, kus osakesed jätkavad tiirlemist mitmeid tunde. Siis kiirendatakse teist tüüpi osakesi (positrone või antiprootoneid), või või teist gruppi esimesest tüübist (nagu prootonid). Kaks osakeste voogu pannakse liikuma vastas suundades ja siis põrgatatakse nad kokku. Selliseid eksperimente tehakse näiteks CERN’is Fermilaboratooriumis ja Stanfordis ja need mängivad tähtsat rolli hiljutistes edusammudes elementaarosakeste füüsikas. Suurim Large Electron-Positron (LEP) Collider asus CERN’is ja tema ringi pikkus oli 26.7 km ja avati 1989. aastal. Seal tehti katseid e+ja e- vastastikku põrgatamistega. Mõlemad osaksesed kiirendati 93 GeV ja kogu interaktsiooni energia oli 186 GeV.
Lineaarsed kiirendid
Van de Graaffi kiirendi on põhiolemuselt lineaarne kiirendi, seni kuni ioonid liiguvad lineaarset teed pidi. Kuid nime lineaarkiirendi kasutatakse tavaliselt seadeldise kohta mis on kinnine ja kiirendab sirgel liinil osakesi palju, palju kordi. Ioonid läbivad seeria torukujulisi konduktoreid. Pinge mida rakendatakse torudele peab oleama vahelduv, nii et kui positiivne ioon jõuab kahe toru vahele peab olema ees olev toru negatiivse- ja läbitud toru positiivse laenguga. See tagab osakeste kiirendamise igas vahes. Samalajal kui iooni kiirus kasvab, katab ta sama aja jooksul suurema vahemaa. Sellest tulenevalt peavad torud olema kaugemal pikemad kui allika läheduses. Lineaarsed kiirendid on eriti tähtsad elektronide kiirendamisel. Väikese massi tõttu elektronid saavutavad kõrge kiiruse väga ruttu. Elektroni kiirgusenergia lineaarses kiirendis on palju väiksem kui ringikujulises. Suurim elekrtone kiirendav lineaane rkiirendi asub Kalifornias Stanfordis (Stanford Linear Accelerator Center, ehk SLAC). See on üle 3 km pikk ja suudab kiirendada elektrone 50 GeV-ni. Paljutel haiglatel on 10-MeV lineaarene elektroni kiirendi footonite tootmiseks, mida kasutatakse kasvajate raviks.
Sünkrotron
Üks võimalus relativistlike suuruste saavutamiseks on kasutada osakeste kiirendajana magnetvälja ja seda suurendada. Selliseid seadeldisi kutsutakse sünkrotonideks ja tänapäeval võivad need olla tohutult suured. Suurin selline sünkrotron asus CERNis (European Center for Nuclear Researsh) ja selle raadius on 1.1 km. Selline masin suutis kiirendada prootonit 500GeV energiani. Uus Tervatron Fermilaboratooriumis USAs kasutab prootonite kiirendamiseks ülijuhtivaid magneteid, millega suudetakse prootnile anda energia, mis on peaaegu 1000GeV = 1TeV (sellest ka selle kiirendi nimi; 1TeV = 1012 eV). Need suured sünkrotronid ei kasuta tohutult suuri magneteid, mille raadius on 1 km vaid kitsast magnetite ringi, kus iga magnet asetsb samal raadiusel. Magnetid on katkestatud väikeste avadega, kus kõrge pinge abil kiirendatakse osakesi. Et osaksei kiirendisse süstida, peavad nad liikuma ringikujuliselt konstantse raadiusega. See on teostatav andes neile algselt märkimisväärne energia palju väiksemas kiirendis ja siis aeglaselt suurendades magnetvälja kiiruseni suures sünkrotronis.
Probleemiks kiirendite juures on see et kiirenev elektrilaeng kiirgab elektromagnetenergiat. Iooni või elektroni kiirendades läheb märkimisväärne energia kiirgamise tõttu kaduma. Efekt kasvab kiiruse kasvades ja on eriti tähtis ringikujulistes masinates, kus tsentripedaal kiirendus on peamine, eriti sünkrotronides, seda nähtust kutsutakse ka sünkrotroni radiatsiooniks.
Probleemiks kiirendite juures on see et kiirenev elektrilaeng kiirgab elektromagnetenergiat. Iooni või elektroni kiirendades läheb märkimisväärne energia kiirgamise tõttu kaduma. Efekt kasvab kiiruse kasvades ja on eriti tähtis ringikujulistes masinates, kus tsentripedaal kiirendus on peamine, eriti sünkrotronides, seda nähtust kutsutakse ka sünkrotroni radiatsiooniks.
Betatron
Betatroni leiutas 1940. a D. W. Kerst. Betatron on ringkiirendi elektronide jaoks, erinevus tsüklotronist on selles, et elektronide kiirendamine saavutatakse järjest suurenevas magnet väljas. Elektron liigub kindla raadiusega orbiidil ning teda kiirendab magnetväli, mis teda orbiidil hoiab.
Betatronis kaotab elektron energiat radiatsiooni teel. Kõik kiirendatud osakesed kiirgavad elektromagnet energiat, kuid kiirendatud elektronid kiirgavad antud kineetilise energia juures rohkem kui seda teevad prootonid. Sellist radioaktiivset energia kaotust kutsutakse sünkrotoni radiatsiooniks. Suurim energia mida betatronis saab elektronidele anda on mäned sajad MeVid.
Betatronis kaotab elektron energiat radiatsiooni teel. Kõik kiirendatud osakesed kiirgavad elektromagnet energiat, kuid kiirendatud elektronid kiirgavad antud kineetilise energia juures rohkem kui seda teevad prootonid. Sellist radioaktiivset energia kaotust kutsutakse sünkrotoni radiatsiooniks. Suurim energia mida betatronis saab elektronidele anda on mäned sajad MeVid.
Tsüklotron
Tsüklotron leiutati 1930 E. O. Lawrence (sai Nobeli preemia 1939) poolt Kalifornias. Selles kasutatakse magnetvälja, mis hoiab laetud osakesi, tavaliselt prootoneid, peaaegu ringikujulisel teerajal. Prooton liigub kahes D-kujulises õõnsuses. Iga kord, kui ta läbib ava kahe “D” vahel, rakendub pinge, mis kiirendab teda elektrijõu mõjul. See suurendab tema kiirust, samuti tema teekonna raadiust. Pärast paljusid tiire omandab prooton kõrge kineetilise energia ja jõuab tsüklotroni piiridest välja. Prooton pommitab oma sihtmärki, mis on asetatud tsuklotroni või sellest välja. Kui sihtmärk asub tsüklotronist väljas, siis suunatakse ta magnetvälja abil sihtmärgi suunas. Kiirendamine toimub ainult siis, kui prooron asub vahemikus kahe “D” vahel. Pinge, mida rakendatakse peab olema vahelduv. Kui prooton liigub paremale läbides ava, parempoolne “D” peab olema elektriliselt negatiivne ja vasak positiivne. Pool tsükklit hiljem, prooton liigub vasakule, siis nuud peab olema vasak poolne “D” negatiivne ja parem positiivne, et toimuks kiirendamine. Sagedus, f, rakendatud pingele peab olema võrdeline prootoni ringliikumisega mida saab määrata järgnevalt. Kui iooni laend q (prootoni jaoks, q = +e) tiirleb “D” sees, siis kogujõud F = qvB, kus v on iooni kiirus antud hetkel. Seni kuni ioon tiirleb on tal tsentripetaal kiirendus v2/r, kus on iooni liikumise raadius. Kautades Newton’i II seadust, F = ma , saame
või
Aeg, mida läheb vaja täieliku tiiru tegemiseks on periood T, mis on
.
Seega tiirlemise sagedus f on
.
Seda nimetatakse tsüklotroni sageduseks.
Näide: Väike tsüklotron maksimaalse raadusega m kiirendab prootonit 1.7-T magnetväljas. Arvutada (a) millise sagedusega vahelduvvoolu peame kasutama, ja (b) prootoni kineetiline energia tsüklotronist lahkudes.
Lahendus: (a)
,
saadud tulemus kuulub raadiolaine piirkonda.
(b) Prooton lahkub tsüklotronist , kui . Siis ,
.
Huvitav fakt tsüklotroni juures on see et rakendatud pinge sagedus ei sõltu raadiusest. See tähendab et sagesut pole vaja muuta iooni teekonnal allikast järjest suurema raadiuse suunas. Kahjuks on see nii vaid mitterelativistlike energiatega. Kõrgetel kiirustel iooni mass suureneb vastavalt Einsteini valemile , kus on seisu mass. Kui nüüd vaadata sageduse avaldist siis näeme, et massi suurenedes peame vähendama vahelduvvoolu sagedust. Suurte energiate saamiseks on vaja elektroonikat, mis vähendaks sagedust sõltuvalt prootoni massi suurenemisest. Selliselt modifitseerituid tsüklotrone kutsutakse sünkrotsüklotronideks.
või
Aeg, mida läheb vaja täieliku tiiru tegemiseks on periood T, mis on
.
Seega tiirlemise sagedus f on
.
Seda nimetatakse tsüklotroni sageduseks.
Näide: Väike tsüklotron maksimaalse raadusega m kiirendab prootonit 1.7-T magnetväljas. Arvutada (a) millise sagedusega vahelduvvoolu peame kasutama, ja (b) prootoni kineetiline energia tsüklotronist lahkudes.
Lahendus: (a)
,
saadud tulemus kuulub raadiolaine piirkonda.
(b) Prooton lahkub tsüklotronist , kui . Siis ,
.
Huvitav fakt tsüklotroni juures on see et rakendatud pinge sagedus ei sõltu raadiusest. See tähendab et sagesut pole vaja muuta iooni teekonnal allikast järjest suurema raadiuse suunas. Kahjuks on see nii vaid mitterelativistlike energiatega. Kõrgetel kiirustel iooni mass suureneb vastavalt Einsteini valemile , kus on seisu mass. Kui nüüd vaadata sageduse avaldist siis näeme, et massi suurenedes peame vähendama vahelduvvoolu sagedust. Suurte energiate saamiseks on vaja elektroonikat, mis vähendaks sagedust sõltuvalt prootoni massi suurenemisest. Selliselt modifitseerituid tsüklotrone kutsutakse sünkrotsüklotronideks.
Van de Graaff’i kiirendi
Võtmekomponendiks Van de Graaff’i kiirendis on Van de Graaff’i generaator, leiutatud 1931. Suur õõnes sfääriline konduktor tõetub isoleeritud sambale aluse kohal. Sfääri laetakse mitte midagi puutuva liikuva rihma abil. Rihmale antakse positiivne laeng ( tegelikult tõmmatakse elektronid elektroodi abil rihmalt ära), mis kannab selle laengu sfääri sisemusse, kus laeng “pühitakse” sfäärilisele kondaktorile. Mida rohkem tuuakse laenguid üles, seda kõrgemalt laetuks saab sfäär. Kogu protsess vajab energiat. Kui ühendada Van de Graaff generaatorid tühja toruga, milles on H või He ioonide allikas (p või α), siis see toru käitub nagu kiirendi, sest suur positiivne pinge kiirendab neid osaksei nii et nad lendavad vastu maandatud märklauda toru lõpus.
Lineaarsed kiirendid
Lineaarsetes kiirendites toimub kiirendamine sirgetel segmentidel. Igat segmenti läbib kiirendatav osake ainult ühe korra.
Lineaarsed kiirendid
Lineaarsetes kiirendites toimub kiirendamine sirgetel segmentidel. Igat segmenti läbib kiirendatav osake ainult ühe korra.
Cockroft-Walton kiirendi
Cockroft-Waltoni kiirendis ioniseeritakse vesinik gaas, et tekitada negatiivseid ioone, mis koosnevad kahest elektronist ja ühest prootomist. Edasi kiirendatakse ioone positiivse pingega, seni kuni jõutakse energiani 750 keV. See on umbes 30 korda suurem energia kui teleri kineskoobis oleval elektronkiirel.
Selle kiirendi leiutasid John D. Cockroft ja Earnest T. S. Walton Cavendishi laboratooriumis Inglismaal. Selline kiirendi koosneb multiastmelisest pinge jagajast, mis kiirendab ioone lineaarselt.
Seda tüüpi kiirendit tunnustatakse esimese seadeldisena tuuma kunstliku jagajana reaktsioonis, kus pommitati liitiumit kiirendatud prootonitega (1932).
p + 7Li +
Cockroft ja Walton olid võimelised sellisest kiirendist saama osaksesi energiaga mitmeid sadu kilo-elektronvolte ning selle ülemine piir on umbes 1 MeV. Ülemine piir on tingitud “elektrilisest lahendist” välk.
Selle kiirendi leiutasid John D. Cockroft ja Earnest T. S. Walton Cavendishi laboratooriumis Inglismaal. Selline kiirendi koosneb multiastmelisest pinge jagajast, mis kiirendab ioone lineaarselt.
Seda tüüpi kiirendit tunnustatakse esimese seadeldisena tuuma kunstliku jagajana reaktsioonis, kus pommitati liitiumit kiirendatud prootonitega (1932).
p + 7Li +
Cockroft ja Walton olid võimelised sellisest kiirendist saama osaksesi energiaga mitmeid sadu kilo-elektronvolte ning selle ülemine piir on umbes 1 MeV. Ülemine piir on tingitud “elektrilisest lahendist” välk.
Kõrge energiaga osakesed
Kõrge energiaga osakesed
Kõrge energiani kiirendatud osaksed on projectiles –mürsud, mis saavad sondeerida tuuma sisemust ja nukleoneid, mida nad pommitavad. Tähtis faktor on et kiiresti liikuvad mürsud suudavad paljastada rohkem detaile. Lainepikkus mürskosakestele on antud de Broglie lainepikkusega:
(1)
Valem näitab, mida suurem on pommitaja osakese inertsmoment, seda väiksem on lainepikkus ja mida väiksem on lainepikkus seda peenemaid detaile suudame avastada. See ongi põhjus, miks hiljutistel aastatel on ehitatud järjest kõrgema ja kõrgema energiaga kiirendeid.
Näide: Milline on lainepikkus ja sellest järelduvalt eraldatavus kiiratud elektronidele, mille energia on 1.3 GeV?
Lahendus: , mis on umbes 2500 elektroni massi (0.51 MeV/c2). Meil on siin tegemist relativistlike kiirustega, elektroni kiirus on peaaegu c = 3.0 * 108 m/s. [Sellise kiiruse saime KE = mc2-m0c2 ≈ mc2; ja valemist E2 = p2c2 + m2c4 ≈ p2c2 seni kuni m0c2 on väike vörreldes pc-ga siis p2c2 = m2v2c2 ≈ m2c4, st v ≈ c.] Sellest
kus mc2 = 1.3 GeV. Sellest
,
või 0.96 fm. Maksimaalne võimalik resolutrioon selliste energiaga elektronide puhul on suurem kui valgus mikroskoobis (kus valguse lainepikkus on λ ≈ 500 nm).
Kõrge energiani kiirendatud osaksed on projectiles –mürsud, mis saavad sondeerida tuuma sisemust ja nukleoneid, mida nad pommitavad. Tähtis faktor on et kiiresti liikuvad mürsud suudavad paljastada rohkem detaile. Lainepikkus mürskosakestele on antud de Broglie lainepikkusega:
(1)
Valem näitab, mida suurem on pommitaja osakese inertsmoment, seda väiksem on lainepikkus ja mida väiksem on lainepikkus seda peenemaid detaile suudame avastada. See ongi põhjus, miks hiljutistel aastatel on ehitatud järjest kõrgema ja kõrgema energiaga kiirendeid.
Näide: Milline on lainepikkus ja sellest järelduvalt eraldatavus kiiratud elektronidele, mille energia on 1.3 GeV?
Lahendus: , mis on umbes 2500 elektroni massi (0.51 MeV/c2). Meil on siin tegemist relativistlike kiirustega, elektroni kiirus on peaaegu c = 3.0 * 108 m/s. [Sellise kiiruse saime KE = mc2-m0c2 ≈ mc2; ja valemist E2 = p2c2 + m2c4 ≈ p2c2 seni kuni m0c2 on väike vörreldes pc-ga siis p2c2 = m2v2c2 ≈ m2c4, st v ≈ c.] Sellest
kus mc2 = 1.3 GeV. Sellest
,
või 0.96 fm. Maksimaalne võimalik resolutrioon selliste energiaga elektronide puhul on suurem kui valgus mikroskoobis (kus valguse lainepikkus on λ ≈ 500 nm).
Kuidas füüsikud osakesi uurivad?
Kuidas füüsikud osakesi uurivad.
Osakesed on erakordselt väikesed, nende uurimiseks on vaja kasutada väga spetsiifilisi seadeldisi, milleks on kiirendid. Need on tohutult suured masinad, milles antakse osakestele väga kõrge energia nivoo ning siis pommitatakse selle osakesega teist osakest. Punkti ümber, kus kokkupõrge toimub, teadlased monteerivad erinevaid instrumente, näiteks detektoreid, mis annavad reaktsioonist informatsiooni. Osakesi kiirendades ja neid siis kokku põrgatades, saavad füüsikud identifitseerida componente, mis tekitavad uusi osakesi ning paljastada vastastikmõjude olemust.
Osakesed on erakordselt väikesed, nende uurimiseks on vaja kasutada väga spetsiifilisi seadeldisi, milleks on kiirendid. Need on tohutult suured masinad, milles antakse osakestele väga kõrge energia nivoo ning siis pommitatakse selle osakesega teist osakest. Punkti ümber, kus kokkupõrge toimub, teadlased monteerivad erinevaid instrumente, näiteks detektoreid, mis annavad reaktsioonist informatsiooni. Osakesi kiirendades ja neid siis kokku põrgatades, saavad füüsikud identifitseerida componente, mis tekitavad uusi osakesi ning paljastada vastastikmõjude olemust.
Miks füüsikud osakesi uurivad?
Teadlased on avastanud, et kogu universumi mateeria koosneb väikesest arvust erinevatest elementaarosakestest. Mõned nendest osakestest on stabiilsed, mõned eksisteerisid vaid sekundimurdosa peale Suurt Pauku. Vaid tohutu suure energiaga, mida meil õnnestub tekitada kiirendites, suudame neid osakesi uuesti sünnitada. Kiirendite abil saame pilgu heita minevikku, universumi algusaega. Kiirendid aitavad meil aru saada, millest koosnevad tähed, Maa, kõik see mis meid ümbritseb. Isegi iseendist saame tänu kiirenditele rohkem teada.
14. november 2006
9. november 2006
Cockroft-Walton kiirendi.
Cockroft-Waltoni kiirendis ioniseeritakse vesinik gaas, et tekitada negatiivseid ioone, mis koosnevad kahest elektronist ja ühest prootomist. Edasi kiirendatakse ioone positiivse pingega, seni kuni jõutakse energiani 750 keV. See on umbes 30 korda suurem energia kui teleri kineskoobis oleval elektronkiirel.
Selle kiirendi leiutasid John D. Cockroft ja Earnest T. S. Walton Cavendishi laboratooriumis Inglismaal. Selline kiirendi koosneb multiastmelisest pinge jagajast, mis kiirendab ioone lineaarselt.
Seda tüüpi kiirendit tunnustatakse esimese seadeldisena tuuma kunstliku jagajana reaktsioonis, kus pommitati liitiumit kiirendatud prootonitega (1932).
p + 7Li +
Cockroft ja Walton olid võimelised sellisest kiirendist saama osaksesi energiaga mitmeid sadu kilo-elektronvolte ning selle ülemine piir on umbes 1 MeV. Ülemine piir on tingitud “elektrilisest lahendist” välk.
Kasutatud weebilehed
http://www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/11/1.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/accel3.html
http://www.rtftechnologies.org/emtech/cockroft-walton.htm
Tsüklotron
Sellest Videost on teemakohane vaid esimesed 7 minutit.
Juttu on Stanford Linear Accelerator'i nimelises keskuses asuvast tsüklotronist ning antiikaegsete dokumentide lugemisest. Üpris informatiivne!
Juttu on Stanford Linear Accelerator'i nimelises keskuses asuvast tsüklotronist ning antiikaegsete dokumentide lugemisest. Üpris informatiivne!
Stephen Hawking's Universe
Väga hea film, kuid kahjuks juba enamasti teada tuntud asjad. Ülevaade keskaja alkeemikutest tänapäeva teadlasteni. Pikemalt peatutakse Mendelejevil, Curil, Einsteinil, Rutherfordil. Filmis väike õpetus, kuidas ehitada algelist kiirendit ja detektorit.
Filmi 32. minut, algeline kiirendi
Filmi 46 - 47. minut, pildid osakseste tantsust kiirendites
Filmi 32. minut, algeline kiirendi
Filmi 46 - 47. minut, pildid osakseste tantsust kiirendites
Tellimine:
Postitused (Atom)
