Релятивтік динамикадағы энергия, импульс және масса. Материалды денелер үшін масса мен энергияның байланыс заңы. Физика, 11 сынып, презентация.

Оқу мақсаты:

11.7.1.3 – зарядталған бөлшектердің үдеткіштерінің жұмыс істеу принципін, оларда орын алатын релятивистік эффектіні ескере отырып түсіндіру

Галилейдің салыстырмалы принципі не дейді?

2. Эйнштейннің бірінші постулаты қалай оқылады?

3. Эйнштейннің екінші постулаты қалай оқылады және қандай принципті қорытындылайды?

4. Неліктен Галилей түрлендірулері мен электродинамика заңдарына келіспеушілік проблемасы пайда болды?

5. Эйнштейн бұл қиыншылықтан шығудың қандай жолын тапты?

Ой қозғау

Зарядталған бөлшектердің үдеткіші - жоғары энергиялы зарядталған бөлшектерінің электр өрісінде үдету арқылы алуға арналған құрылғы.

*Зарядталған бөлшек үдеткіштері – электр өрісінде үдету арқылы энергиясы жоғары зарядталған бөлшектерді (электрондарды, протондарды, атом ядроларын, иондарды, т.б.) алуға арналған құрылғы.

*Зарядты бөлшек үдеткіштерінде зарядталған бөлшектер вакуумдық камера ішінде электр өрісінің көмегімен үдетіледі. Ал магнит өрісі зарядталған бөлшектердің қозғалу бағытын (жылдамдығының шамасын өзгертпей) ғана өзгертеді. Үдетуші электр өрісі, әдетте, сыртқы құрылғы (генератор) көмегімен туғызылады.

*Жоғары энергиялы бөлшектер шоғы табиғатты, элементар бөлшектердің қасиеттерін зерттеуде, атом ядросы физикасы мен қатты дене физикасында, сондай-ақ, химия, биофизика, геофизика саласында, қолданбалы мақсатта (дефектоскопия, өнімдерді стерильдеу, сәулемен емдеу), т.б. қолданылады.

Циклотронның принципті схемасы

1 - кіру орны (протондар, иондар);

2 - үдетілген бөлшектің траекториясы;

3 - жеделдететін электродтар (дуанттар);

4 - ауыспалы кернеу генераторы. Магнит өрісі фигураның жазықтығына перпендикуляр бағытталған

Үдеткіштер жіктеледі

Қолданылуы бойынша

Тасымалданатын бөлшектердің құрамы бойынша: жеңіл (электрондар, позитрондар), аралық (мезондар) және ауыр бөлшектер (протондар), әртүрлі массалар мен зарядтардың иондары, антибөлшектер (антипротондар)

Бөлшектердің энергиясы бойынша, ең төменнен бірнеше ТэВ дейін (1012 эВ, 1эВ=1.6·10-19 Дж)

Пішіні бойынша (сақина немесе сызықты)

Сәуле қарқындылығы бойынша

Үдеткіштердің пайда болуы

Үдеткіштер дамуының бастапқы кезеңі (1919 – 32) жоғары кернеу алу және оны зарядталған бөлшектерді тікелей үдету үшін қолдану жолымен жүрді. 1931 жылы америкалық физик Р. Ван-де-Грааф электрстатикалық генераторды, 1932 жылы ағылшын ғалымдары Дж. Кокрофт пен Э. Уолтон каскадты генераторды құрастырды. *Осы тәсілдің негізінде америкалық физик Э.О. Лоуренс циклотрон құрастырды. Циклотрон арқылы алынған протонның энергиясы 10 – 20 МэВ-ке дейін жетті.

1940 жылы америкалық физик Д.У. Керст циклді электрондық индукциялық үдеткішті (бетатронды) құрастырды. 1944 – 45 жылы ресейлік физик В.И. Векслер мен америкалық физик Э.М. Макмиллан бір-бірінен тәуелсіз автофазалау құбылысын ашты. Осы құбылысқа негізделіп резонансты үдеткіштердің немесе циклді үдеткіштердің (синхротрон, фазотрон, микротрон) жаңа түрлері құрастырылды. 20 ғ-дың 50-жылдарының басында таңбасы айнымалы фокустау принципі (америкалық ғалымдар Н.Кристофилос, Э.Курант, М.Ливингстон, Х.Снайдер) ұсынылды.

Қазіргі кезде Ресей мен АҚШ-та энергиясы 1000 – 5000 ГэВ-ке тең үдеткіштер салу жоспарлануда.

Қазақстан Республикасы Энергетика министрлігі Ядролық физика институтындағы У-150M изохронды циклотрон

Топтық жұмыс

1 топ – Ван де Грааф генераторы

2 топ – циклотрон

3 топ – бетатрон

4 топ – синхротрон

Тапсырма: құрылғы туралы мәлімет және оның жұмыс істеу принципі, сонымен қатар қолданылуын түсіндіріңіз

ЦИКЛОТРОН

Циклотрон (цикл және (электрон) — иондардың резонанстық циклдік үдеткіші. Оның басқарушы тұрақты магнит өрісі мен үдетуші жоғары жиілікті электр өрісі (жиілігі тұрақты) болады. Циклотронды 1930 ж. америка физигі Э.Лоуренс ойлап тапқан.

БЕТАТРОН

Бетатрон — циклді электрон үдеткіш. Мұнда электронды үдете қозғалту айнымалы магнит өрісінің әсерінен индукцияланған құйынды электр өрісі арқылы жүзеге асырылады.

ФАЗАТРОН

Фазотрон, синхроциклотрон — ауыр зарядталған бөлшектердің (протондар, иондар) циклдік резонанстық үдеткіші. Ондағы басқарушы магнит өрісі уақыт бойынша тұрақты болады, ал үдететін жоғары жиілікті электр өрісі өзгермелі. Фазотрондағы бөлшектер тарқатылған шиыршық бойынша қозғалады. Жоғарғы энергиялар физикасында үдеткіш ескірген болып табылады, дегенмен ол әлі медицинада қолданылады.

СИНХРОФАЗОТРОН

Синхрофазотрон, протондық синхротрон — уақыт бойынша кернеулігі біртіндеп артып отыратын жетекші магнит өрісінде шеңбер бойымен қозғалатын ауыр бөлшектерді (протондарды, иондарды) жиілігі айнымалы кернеумен үдететін циклді резонанстық үдеткіш. Протондарды үдетуге арналған синхрофазотронды көбінесе протондық синхротрон деп атайды.

Электростатикалық генератор Ван де Грааф

Жұмыс істеу принципі:

Генератордың дизайны оны көлденең де, тігінен де жасауға мүмкіндік береді. Оның негізгі бөлігі - үлкен металл сферасы, оның бетінде зарядталған бөлшектердің жинақталуы болады. Оқшауланған материалдың корпусының ішінде диэлектрлік таспамен өзара байланысқан екі ролик бар. Бастапқыда ол жібек пен резеңкеден жасалып, кейіннен тізбекпен ауыстырылды.

Төменгі ролик жерге тұйықталған және кішкене сфераға қосылған, оның айналу жетегі бар. Жоғарғы ролик үлкен сфераға металл щетка арқылы қосылады.

Төменгі ролик айналғанда ауа иондалады, содан кейін зарядталған бөлшектер жоғарғы роликке ауысады. Металл щеткасы арқылы иондар ағыны үлкен сфераның бетіне өтеді, онда ол электростатикалық заряд түрінде жиналады.

Van de Graaff генераторының қуаты тәждік разрядпен шектеледі, ол зарядталған электродтың айналасында жарқыраған қабық жасайды