Máy gia tốc hạt là gì? Chuyển động của điện tích trong từ trường đều
Tại sao chuyển động cơ trong vật lý lại có tính tương đối
Máy gia tốc hạt là một thiết bị được thiết kế để tạo ra va chạm trực diện giữa các các hạt cơ bản với động năng cực lớn nhằm phá vỡ cấu trúc của các hạt cơ bản để tìm ra các hạt mới kiểm chứng các lý thuyết mới của vật lý lượng tử.
Máy gia tốc hạt là gì? Chuyển động của điện tích trong từ trường đều
Large Hadron Collider ( Máy gia tốc hạt lớn – gọi tắt là LHC) Máy gia tốc hạt lớn được chế tạo bởi Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (CERN), nằm bên dưới mặt đất tại biên giới Pháp-Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ. Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên tám nghìn nhà vật lý của 15 quốc gia cũng như hàng trăm trường đại học và phòng thí nghiệm. Những tia hạt đầu tiên được dẫn vào trong máy ngày 10 tháng 9 năm 2008, và phải chờ khoảng 6 đến 8 tuần sau đó mới có được các đợt va chạm với năng lượng cực lớn đầu tiên.
Chuyển động của một hạt điện tích trong từ trường đều:
Một điện tích q > 0 chuyển động với vận tốc là v trong từ trường đều, ta đã biết từ trường tác dụng lực từ lên điện tích q là lực Lorenxơ (Lorentz) được xác định bằng biểu thức
θ là góc hợp bởi ⃗vv→ và véc tơ cảm ứng từ ⃗BB→
Khi θ = 0 hoặc θ = 180o (tương ứng với điện tích chuyển động dọc theo đường sức từ trường và ngược chiều đường sức từ trường) thì lực Lorenxơ bằng 0 (hay không có lực từ tác dụng lên điện tích.
Khi điện tích chuyển động vuông góc với các đường sức từ trường, lực Lorenxơ đóng vai trò lực hướng tâm tạo nên chuyển động với quỹ đạo cong, do hướng của véc tơ lực luôn vuông góc với hướng của véc tơ vận tốc nên véc tơ lực từ cũng luôn vuông góc với hướng chuyển động của điện tích. Công của lực Lorenxơ sinh ra bằng 0 => năng lượng của điện tích không đổi => vận tốc không đổi => chuyển động của điện tích là chuyển động tròn đều.
Bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tích chuyển động theo phương vuông góc với các đường cảm ứng từ
Video giải thích chi tiết về chuyển động của điện tích trong từ trường đều
Ứng dụng của lực Lorenxơ (ứng dụng chuyển động của điện tích trong từ trường đều)
Khối phổ kế: là thiết bị có tác dụng tách riêng các hạt điện (các ion) có cùng điện tích nhưng khối lượng khác nhau.
Sơ đồ khối phổ kế. Ta cho dòng các ion bay vào từ trường đều theo hướng vuông góc với các đường sức từ. Khi đó các ion có cùng điện tích nhưng khối lượng khác nhau sẽ bay theo những đường tròn có bán kính khác nhau.
Máy gia tốc hạt lớn:
Bên trong đường ống của máy gia tốc hạt lớn. Thành phần chính của máy gia tốc hạt lớn là một đường hầm vòng tròn có chu vi 18 km. Đường hầm này chứa 2 chùm tia proton đi ngược chiều nhau. Trên vòng tròn máy gia tốc hạt lớn này có đặt các bộ phân tích những hiện tượng xảy ra khi proton va chạm với nhau.
Quá trình gia tốc hạt thông qua hai giai đoạn chính sau:
Trước khi đi vào máy gia tốc hạt lớn: câc proton của các phân tử thường không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà đi kèm với phân tử. Do đó proton cần phải được bóc tách khỏi phân tử đầu tiên (sử dụng các khối phổ kế)
Trong máy gia tốc hạt lớn: Từ khi chùm tia proton được bắn vào máy gia tốc hạt lớn, nó sẽ di chuyển khoảng 11.245 vòng. Trong suốt 20 phút chùm tia đi vòng quanh máy gia tốc hạt lớn, máy sẽ được gia tốc liên tục cho đến khi đạt được vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Sau khoảng thời gian 20 phút đạt được vận tốc cực đại, chùm tia proton cùng chiều và chùm tia proton ngược chiều sẽ va chạm với nhau tại các điểm hội tụ. Các proton khi chưa được va chạm sẽ tiếp tục được gia tốc để cho các va chạm phía sau.
Có 9600 chiếc nam châm chuyên dụng dùng để gia tốc cho proton. Các nam châm này được đặt trong môi trường lạnh đến 1.9 Độ Kenvin (tức là khoảng âm 271.56 độ, tức là còn lạnh hơn cả nhiệt độ chân không ngoài vũ trụ). Khi vận hành máy gia tốc hạt lớn, môi trường để cho các electron di chuyển phải đạt độ chân không tuyệt đối do chỉ một phân tử khí lọt vào, toàn bộ thí nghiệm sẽ thất bại. Toàn bộ hệ thống máy gia tốc hạt lớn bao gồm 150 triệu cảm biến. Dữ liệu thu được sau khi tiến hành thí nghiệm trong vòng 1 năm lên tới 15 petabytes, tương đương với dung lượng của … 1000.000 chiếc DVD. Máy gia tốc hạt lớn tiêu thụ điện năng đến 800.000 MWh tương đương với 19 triệu Euro 1 năm. Con số hóa đơn tiền điện của máy gia tốc hạt lớn này là trong trường hợp máy không hoạt động vào mùa đông. Sau cùng, giá trị của toàn bộ công trình máy gia tốc hạt lớn là 6 tỉ USD.