Các hạt và trường có quá quen thuộc với bạn không?

32

Vì tia âm cực mang điện tích âm nên chúng bị lệch bởi một lực tĩnh điện như thể chúng bị nhiễm điện âm và chúng bị tác dụng bởi một lực từ giống như cách lực này tác dụng lên một vật nhiễm điện âm chuyển động dọc theo đường đi của các tia này. Joseph John Thomson

…một Geiger vô cùng phấn khích đến gặp tôi và nói: “Chúng tôi đã quan sát được $\alpha$ -các hạt quay trở lại.” Đây là sự kiện đáng kinh ngạc nhất mà tôi từng trải qua. Ernest Rutherford

Thỉnh thoảng, các bức ảnh cho thấy đường đi thẳng của các hạt không rõ nguồn gốc, hầu như không bị từ trường làm lệch hướng, nhưng về hiệu ứng ion hóa của chúng không khác gì so với các tia $\beta$ nhanh. Dmitry Skobeltsyn

Các thiết bị như cyclotron và synchrotron tăng tốc hạt lên mức năng lượng cao bằng cách buộc nó liên tục đi qua một điện trường mạnh. Và hạt được giữ trên quỹ đạo của nó bởi một từ trường. Richard Feynman

Bạn có thực sự quen thuộc với điều này?

?

hạt và trường

Hầu như mọi lúc, các đoạn từ công trình của các nhà khoa học xuất sắc, trước số tiếp theo của chuyên mục của chúng tôi, đều được xây dựng thành một loại “khóa học ngắn hạn” về lịch sử của hướng vật lý này hay hướng khác. Chủ đề hiện tại hóa ra rộng lớn đến mức gần như tất cả các nhánh của vật lý hiện đại đều được xâu chuỗi lại với nhau trên đó, ranh giới thời gian được gọi là cuối thế kỷ 19, khi những thành tựu rực rỡ nối tiếp nhau - chẳng hạn như những khám phá về điện tử và tính phóng xạ. Chúng ta có thể nói rằng việc phát hiện ra các hạt tích điện cơ bản - thành phần cấu trúc nhỏ bé của vật chất - dường như đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tiến hành những tìm kiếm sâu hơn hứa hẹn một sự hiểu biết hoàn toàn mới về thế giới xung quanh chúng ta. Nhưng không chỉ vậy: việc nghiên cứu và kiểm soát những thứ “vô hình” cực nhỏ đòi hỏi sự kết hợp khéo léo giữa các lĩnh vực, thiết bị, công nghệ mà theo đúng nghĩa đen trước mắt chúng ta đã bắt đầu thay đổi hoạt động sản xuất và cuộc sống hàng ngày, năng lượng và truyền thông - nói một cách dễ hiểu, dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp và thông tin, những thành quả mà chúng ta vẫn đang gặt hái. Hôm nay, trước ngày ra mắt máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất mà trí óc con người từng tạo ra ở Thụy Sĩ, chúng ta mong đợi những khám phá chưa từng có sẽ phát triển và thậm chí có thể cách mạng hóa kiến ​​thức của chúng ta về cấu trúc vật chất và cấu trúc của Vũ trụ. Dựa trên thực tế là bạn vẫn sẽ gặp nhiều vấn đề phức tạp và thú vị liên quan đến hạt và trường, hãy bắt đầu với bài toán đơn giản hơn nhưng không kém phần hấp dẫn.

Các câu hỏi và bài toán 1. Tại sao máy quang điện nhất thiết phải hết điện trong điều kiện phòng, ngay cả khi đã thực hiện mọi biện pháp phòng ngừa? 2. Một đĩa kim loại không tích điện được đặt ở chế độ quay nhanh. Một điện kế được nối qua các tiếp điểm đến tâm và ngoại vi của đĩa cho thấy có sự khác biệt tiềm ẩn đã nảy sinh giữa chúng. Dấu hiệu của cô ấy là gì?

3. Một electron sẽ mô tả quỹ đạo nào khi bay giữa các bản của một tụ điện phẳng, được cung cấp: a) điện áp không đổi; b) điện áp xoay chiều có tần số đủ cao? 4. Hai mặt phẳng cắt nhau đều mang điện tích âm. Một nguồn phóng xạ được đặt ở một điểm nhất định giữa các mặt phẳng. Quỹ đạo của các hạt tích điện dương và âm phát ra từ nguồn là gì? 5. Trong trường hợp không có điện trường bên ngoài, các electron phát ra từ cực âm của diode chân không không bị phân tán ra không gian xung quanh mà phần lớn quay trở lại bề mặt cực âm. Làm thế nào điều này có thể được giải thích? 6. Tốc độ chuyển động của electron giữa các điện cực của diode chân không đạt tới hàng nghìn km mỗi giây và trong các dây dẫn kim loại của mạch cực dương - milimét mỗi giây. Dòng điện trong diode và trong dây dẫn có giống nhau không? 7. Chùm hạt tích điện chuẩn trực, tức là chùm tia trong đó tất cả các hạt có cùng hướng vận tốc sẽ phân kỳ dần dần dưới tác dụng của lực Coulomb. Hiệu ứng này phụ thuộc vào tốc độ của hạt như thế nào? 8. Hình dạng quỹ đạo của hạt phụ thuộc vào những đặc điểm nào khi chuyển động trong trường hấp dẫn, điện trường hoặc từ trường? 9. Bán kính quỹ đạo của một hạt tích điện chuyển động tròn trong từ trường đều sẽ thay đổi như thế nào khi điện tích riêng của nó tăng? 10. Dòng điện chạy qua một dây kim loại thẳng dài. Có thể thoát khỏi từ trường của nó bằng cách lao dọc theo dây với tốc độ bằng tốc độ trung bình chuyển động có trật tự của các electron trong nó không? 11. Tại sao một hạt quay trong từ trường không đồng nhất lại “phản xạ” khỏi vùng mà cảm ứng của trường này tăng lên? 12. Có thể coi quỹ đạo của các hạt tích điện bay vào trong buồng là một cung tròn được không?

33

Wilson vuông góc với đường sức của từ trường đều? 13. hình hiển thị dấu vết của một electron và positron thu được trong buồng mây đặt trong từ trường hướng ra xa đầu đọc vuông góc với hình. Dấu vết nào thuộc về electron và dấu vết nào thuộc về positron? Hạt nào có động năng lớn hơn? 14. Sự tăng tốc độ của các hạt tích điện trong cyclotron chỉ được thực hiện do tác dụng của điện trường lên các hạt. Tại sao những hệ thống lắp đặt này trở nên nặng hơn và đắt tiền hơn khi tính đến tác động của từ trường lên các hạt? 15. “Bộ lọc tốc độ” hiển thị trong hình hoạt động như thế nào? Điện trường và từ trường đồng nhất được tạo ra bên trong thiết bị, hướng vuông góc với nhau và vuông góc với vận tốc ban đầu của các hạt. 16. Tại sao cực quang xuất hiện ở Canada thường xuyên hơn ở Siberia, nằm ở cùng vĩ độ? 17. Để bắt đầu các phản ứng phân hạch hạt nhân, việc bắn phá hạt nhân bằng neutron thường được sử dụng nhất. Tại sao, chẳng hạn, proton hoặc electron ít phù hợp hơn cho mục đích này?

Kinh nghiệm vi mô

Đặt một dải lá kim loại lên đèn chiếu sáng thông thường và nối nó với máy điện nghiệm bằng dây. Sạc điện tích dương và bật dòng điện trong đèn. Lặp lại thí nghiệm bằng cách tích điện âm cho điện nghiệm. Làm thế nào chúng ta có thể giải thích rằng trong trường hợp đầu tiên, khi dòng điện được bật, các tấm của máy đo điện sẽ rơi ra, nhưng trong trường hợp thứ hai thì không?

Thật tò mò rằng… …J. Các thí nghiệm nổi tiếng của J. Thomson với tia âm cực đã có trước gần bốn mươi năm làm việc của các nhà vật lý từ các quốc gia khác nhau để nghiên cứu sự phóng điện trong khí hiếm. Người ta tin rằng những tia này hoặc là dòng phân tử tích điện âm khi va chạm với cực âm, hoặc là một loại sóng điện từ mới, bị lệch hướng, không giống như ánh sáng thông thường, bởi một từ trường. Chỉ Thomson, trong một loạt thí nghiệm dài, mới thu được bằng chứng quyết định vào năm 1897 rằng tia âm cực bao gồm các electron. Đây là cách hạt cơ bản đầu tiên được phát hiện. …bài toán bằng cách xác định điện tích và khối lượng của các hạt $\alpha -$ và $\beta -$, phát sinh ngay sau khi phát hiện ra chất phóng xạ, theo thời gian đã dẫn đến việc tạo ra máy quang phổ khối - dụng cụ sử dụng điện trường và từ trường để đo khối lượng của các ion nhỏ nhất. Chiếc đầu tiên được xây dựng vào năm 1919 bởi Francis Aston, một sinh viên của JJ Thomson, người đã phát hiện ra sự tồn tại của các chất đồng vị bảy năm trước đó. …sự quay của các hạt tích điện trong từ trường được phát hiện vào năm 1895 bởi nhà vật lý người Anh Joseph Larmore. Sau đó, ý tưởng giam giữ các hạt sử dụng trường này đã được phát triển rất tốt trong quá trình tạo ra máy gia tốc - trong đó, các hạt thực hiện hàng triệu vòng quay theo quỹ đạo tròn và có thể sống trong đó trong nhiều giờ. Nhưng vấn đề giam giữ - cách ly - từ tính của plasma nhiệt độ cao trong các lò phản ứng nhiệt hạch vẫn chưa được giải quyết triệt để. …việc sử dụng từ trường với những cấu hình phức tạp nhất định trong các thí nghiệm ở máy gia tốc giúp người ta có thể tập trung các chùm hạt giống như cách thấu kính quang học tập trung các tia sáng. …tia vũ trụ, được phát hiện vào năm 1910, bắt đầu được nghiên cứu chuyên sâu, bao gồm cả việc sử dụng buồng mây đặt trong từ trường. Chính cô ấy là người đã quan sát được những dấu vết dị thường dẫn đến việc phát hiện ra positron vào năm 1932 - “một electron mang điện tích dương”. …không giống như những dòng biến đổi của các tia vũ trụ mặt trời, các tia thiên hà và siêu thiên hà là những dòng hạt nhân nguyên tử thay đổi rất ít theo thời gian. Đặc điểm quan trọng nhất của chúng là năng lượng hạt, đạt $10^{21}$ eV, cao hơn vài bậc so với năng lượng thu được trong các cơ sở nhân tạo. Như vậy, Vũ trụ hóa ra giống như một máy gia tốc khổng lồ của hạt nhân nguyên tử. …vào năm 1985, một tên lửa địa vật lý với máy gia tốc hạt nhỏ được phóng từ đảo Kerselen ở Ấn Độ Dương. Ở một độ cao nhất định, nó giải phóng một dòng electron, sau đó di chuyển dọc theo đường từ trường của trái đất và gây ra cực quang nhân tạo trên vùng Arkhangelsk. Những thí nghiệm này nhằm mục đích nghiên cứu cơ chế xuất hiện của ánh sáng phía bắc, cấu trúc của từ trường Trái đất, các quá trình trong tầng điện ly và ảnh hưởng của chúng đến thời tiết. …quy mô của nghiên cứu hiện đại về vật lý hạt có thể được đánh giá bằng các thông số của Máy Va chạm Hadron Lớn, đang chuẩn bị phóng ở Geneva. Chu vi của đường hầm hình tròn nằm ở độ sâu khoảng 100 mét dưới lòng đất là 27 km; nam châm siêu dẫn sẽ gia tốc các proton lên năng lượng 7 TeV rồi cho chúng va chạm với nhau với tần số 800 triệu lần/giây; Hơn hai chục quốc gia, bao gồm cả Nga, đã tham gia lập kế hoạch và tài trợ cho việc chế tạo máy va chạm.

Những gì cần đọc trong «Kvant»về hạt và trường

(xuất bản những năm gần đây)

1. “Dấu vết trong tế bào” – 2003, số 3, tr. 40; 2. “Từ trường” – 2004, số 4, tr. 47; 3. “Kính vạn hoa «Kvant» – 2005, Số 1, trang 32, 4. “Các hạt tích điện trong từ trường” – 2006, Số 4, trang 40, 5. “Chuyển động của điện tích trong từ trường” – 2007, Số 5, trang 42, 6. “Năng lượng tiềm năng của tương tác Coulomb” – 2008, số 5, tr.

Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị