最高速度是多少 粒子加速器是如何加速粒子的( 二 )


很简单,现在有一辆汽车,你想要知道这个汽车内部的组成成分,只需要把它拆开看一下就行了,但是亚原子粒子很小,这么细的活我们干不了,所以有一个简单粗暴的办法就是把它撞碎 。跟砸核桃一样,想看到里面的东西,就要把它敲开就可以了 。
但是由放射性原子释放出来的粒子,它的速度不行,撞不开原子核,更不可能把组成原子核的粒子撞碎,所以人们就想有没有什么办法能给带电粒子提提速?所以粒子加速器就出现了 。
那如何给带电粒子提速呢?这很简单,因为它带电,所以我们只需要给他提供一个电场就可以了,那电场又怎么来?也很简单,现在你把两个平行的金属板接到一个正负极上,也就是给施加一个电压,那么在金属板之间就会创造一个均匀的电场 。

现在我们把一个带电粒子放到电场中,带电粒子就会受到电场力的作用产生一个加速度,那电场力的大小就等于带电粒子的电荷乘以电场强度,电场强度可以有电压除以两个金属板之间的距离得出,所以我们就可以很简单的算出一个带电粒子在电场中的加速情况 。
我们知道力除了大小还有方向,因为我们规定电场的方向,或者说是电场线的方向是从正电荷向外然后到负电荷,所以带正电粒子在电场中的受力方向就跟电场方向是一样的,那带负电的肯定就和电场方向相反了 。
现在我们知道了如何给带电粒子提速,那接下来的问题是具体要怎样操作?你看,要想让粒子在加速器中获得最大的能量,就需要让他多次经过电场给他提速,这样的话它获得加速的时间就长一些,所以它的速度就会更快 。
那如果我们现在把粒子加速器设计成一条直线的话,可以肯定的是粒子获得加速的机会就会非常有限,这样的设计肯定不合理 。
那有没有这样一种可能,我们把粒子的轨迹限制在一个环形的跑道上,这样它就能多次地经过环形轨道上的电场,获得更多加速的机会 。
实际情况还真是这样的,这样设计叫回旋加速器,目前欧洲核子中心的大型强子对撞机就是这种环形跑道 。
但问题是,我们要想把粒子的轨迹掰弯就需要给它施加一个和运动方向垂直的力,而且随着粒子的加速,这个力还需要不断地调整以适应粒子的速度,这样才能保证虽然粒子的速度在增加,但它始终在一个固定的圆周上运动,而不至于撞到加速器的管道壁上 。
那有没有一种力,来满足我们的要求?有,就是磁场力,静止的带电粒子在磁场中不受力,但只要带电粒子运动起来,并且它的运动方向和磁场方向垂直的话,就会受到和运动方向垂直的、且最大的磁场力 。
在给定磁场中,磁场力的大小就和带电粒子的电荷、以及运动速度成正比,所以只要给加速器圆环中施加一个磁场,就可以把带电粒子掰弯,让他做环形运动 。

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