دید کلی

در طول دهه‌های اخیر ، در فیزیک ذرات بنیادی تحول واقعی رخ داد، که ‏دید ما از ماهیت ماده را به ‏تعداد زیادی تغییر داد. این تحول نخست مدیون ‏تکامل سریع شتاب دهنده‌ها و تکنولوژی آزمایشگاهی است. ‏افزایش در ‏انرژی شتاب دهنده‌ها که هنوز ابزار عمده برسی ذرات بنیادی‌ هستند به چند ‏دلیل نقش مهمی بازی ‏می‌کند.‏ جدیدترین طرح تولید انرژی ، شتاب دهنده‌ها. این طرح تولید انرژی عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمی برای تولید انرژی زیاد. عملکرد این سیستم و دستگاه بر اساس استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی برای شتاب دادن و کنترل ذرات باردار الکتریکی تا مرز سرعت نور است.

این سیستمها قادر هستند سرعت الکترونها و پروتونها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتی ذرات تا این حد شتاب یافتند سطح انرژی آنها چند میلیون برابر می‌شود و دارای انرژی عظیم و فراوانی می‌شود. یک مثال نشان دهنده این مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمایشگاه فرمی آمریکا قادر است ذرات پروتون را تا یک تریلیون الکترون ولت (Tev) شتاب دهد.







اگر ما بوسیله این شتاب دهنده پروتونهای یک گرم هیدورژن معمولی که در آب زیاد است را تزریق کنیم و شتاب دهیم انرژی پروتونها برابر خواهد بود با انرژی ۲۶ میلیارد کیلو وات ساعت انرژی که مساوی است با انرژی تولید شده بوسیله شکافت حدود ۱۲۰۰ کیلوگرم اورانیوم یا ۱۵ میلیون بشکه نفت. همه این انرژی عظیم و غیرقابل باور فقط به وسیله شتاب دادن پروتون های یک گرم هیدروژن تا سطح انرژی یک تریلیون الکترون ولت است. پس با این محاسبات دانستیم که شتاب دهنده ها دارای چه قدرت عظیمی هستند.

ضرورت وجود شتاب دهنده‌ها

• افزایش در انرژی شتابنده امکان می‌دهد که انواع جدیدی ذرات بنیادی با ‏جرمهای بزرگتر بدست آیند. در ‏انرژیهای پایین ، این نوع ذرات از نظر ‏قوانین بقای انرژی و اندازه حرکت نمی‌توانند تشکیل شوند.‏
  
  
• شتاب دهنده‌ها را می‌توان با میکروسکوپهای عظیم مقایسه کرد که ‏بررسی فضا را در ‏فاصله‌های خیلی کوتاه قابل مقایسه با طول موج دوبروی برای ذرات شتابدار امکانپذیر می‌کنند. برای مثال ، ‏ذرات دارای انرژی ‏‎1Tev=10³Gev‏ با طول موج دوبروی ‏‎ ‎λ = h/P = 1x10^-‎‎16‎مشخص می‌شوند. چنین ذراتی را ‏می‌توان برای کاوش ناحیه‌هایی از فضا به کوچکی طول موج بکار برد، ‏در چنین ‏فضایی ممکن است نظمهای جدیدی از فیزیک دنیای ریز ، که در ‏فاصله‌های بزرگ دیده نمی‌شوند، ‏تجلی یابند.
  
  ‏
• افزایش در انرژی ذرات با تغییر نوع اندرکنش میان آنها و نیز تغییر در ‏مشخصه فرآیندهای شناخته شده ‏همراه است. معلوم می‌شود که ‏برخی از نمودهای این پدیده‌ها در انرژیهای بالا خیلی واضحتر ظاهر ‏می‌شوند. ‏به عنوان مثال ، ماهیت مشترک اندرکنشهای ضعیف و ‏الکترومغناطیسی توسط آزمایشهای انجام شده با ‏ذرات پرانرژی اثبات ‏شده است.
  
  
• در سالهای اخیر ، شتاب دهنده‌هایی طراحی شده‌اند که حتی در ‏مقایسه با شتاب دهنده سرپوخف عظیم به نظر ‏می‌رسند. با این ‏شتاب دهنده‌ها می‌توان انرژی لازم برای تشکیل ذرات جدید را حدود دو ‏مرتبه بزرگی افزایش ‏داد. آزمایش با شتاب دهنده‌های باریکه برخوردی با ‏حلقه‌های انباشت نقش مهمی بازی کرده ‌است.‏

مکانیزم کار شتاب‌دهنده‌ معمولی

شتاب‌ دهنده‌های معمولی در برگیرنده فرآیندهای زیرین هستند:

• ذره فرودی به هسته برخورد می‌کند، سپس در یک جهت متفاوت از ‏مسیر اول آن را ترک می‌کند. در صورتی که در حالت و ترکیب هسته ‏تغییری حاصل نشود این فرآیند را کشسان می‌نامند.‏
  
  
• در اثر برهمکنش ، هسته به یک حالت بر انگیخته گذر می‌کند. که ‏متعاقبا با گسیل اشعه گاما به یک حالت پایدارتر (حالت پایه) بر می‌گردد. ‏ذره فرودی منحرف شده و انرژی جنبشی از دست می‌دهد. این نوع ‏فرآیند را ناکشسان می‌باشد.‏
  
  
• هسته فرودی را گیر می‌اندازد و سپس یک ذره دیگر (یک فوتون) گسیل ‏می‌کند. این فرآیندها از اجزای قابل توجه واکنشهای هسته‌ای هستند.
  
  
• در کلیه آزمایشگاهها احتمال رخداد هر یک از فرآیندها مقدار معینی ‏هستند. که با شمارش تعداد آشکار شده در جهات مختلف و مقایسه آن ‏با تعداد ذرات فرودی این احتمالها اندازه‌گیری می‌شود.
  
  
• داده‌های بدست آمده از محاسبه احتمال رخداد فرآیندها در شتاب دهنده‌های معمولی برای پیش‌بینیهای نظری فرآیندها مورد استفاده قرار ‏می‌گیرد.

کاربرد عمده شتاب دهنده‌های معمولی

گاهی اوقات احاطه کامل تسلط آشکارسازها بر هدف ممکن نیست. این ‏در موردی است که هدف در داخل اتاقی قرار دارد که شتابش ذرات رخ ‏می‌دهد، برای مثال سیکلوترون در یک چنین شرایطی است. در این ‏مواقع از این واقعیتی که محصولات واکنشهای هسته‌ای عموما از نظر ‏شیمیایی از عناصر متشکله هدف متفاوتند، استفاده می‌شوند.



هسته‌های هدف ‎ X و ‎‏ هسته‌های تولید شده ‎ y که در آن می‌باشد.‏ به عنوان مثالی برای تولید رادیواکتیو را توسط بمباران تلیوریوم با دوترون در نظر می‌گیریم: طی این فرآیند یک هسته ‏Te‏ متشکل از 130 هستک با 52 پروتون توسط ‏دوترون مورد اصابت قرار می‌گیرد. بطوری که یک پروتون به هسته ‏Te‏ افزوده ‏، یک نوترون آزاد می‌کند. محصول واکنش یک هسته مشتکل بر 53 ‏پروتون ، 78 نوترون ید رادیواکتیو می‌باشد که آنرا به روش شیمیایی از ‏هدف جدا می‌کنند. بطوری که می‌دانیم این ید دارای کاربردهای مهم ‏پزشکی هسته‌ای در شناسایی ، درمان بیماریهای غده تیروئید است.

علاوه بر آن ساخت و نگهداری شتاب دهنده آسان و کم هزینه است. در ضمن می‌توان این سیستم های مولد را در ابعاد و مقیاسهای مختلف ساخت. به عنوان مثال یک شتاب دهنده خطی که طول آن ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ میلیون ولت است که قادر است انرژی معادل یک گیگا (Gev) الکترون ولت تولید کند، این انرژی معادل است با انرژی ۲۶ میلیون کیلووات ساعت در هر ثانیه. اگر تنها موفق شویم ۵۰ درصد انرژی این شتاب دهنده را استفاده کنیم، این شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نیروگاه اتمی در مقیاس نیروگاه اتمی هزار مگاواتی نیروگاه بوشهر تولید انرژی کند. یعنی قادر خواهد بود ۲۰ میلیون مگاوات انرژی الکتریکی تولید کند.

علاوه بر آن از حرارت و گرمای تولیدی این دستگاه می‌توان برای بخار کردن آب دریا و تولید آب شیرین استفاده کرد. محاسبات نشان می‌دهد که این سیستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگی سالیانه کشور آب شیرین تولید کند، بدون اینکه هوا را آلوده کند یا مشکلاتی از قبیل زباله‌های هسته‌ای یا پس مانده و آلودگی ایجاد کند. در واقع یکی از بهترین منابع انرژی خواهد بود. سوخت مصرفی این دستگاه تنها چند گرم هیدروژن معمولی است. انرژی تولیدی از یک دستگاه شتاب دهنده یک گیگا الکترون ولت (Gev) برابر است با انرژی حاصل از سوختن 2.500.000 لیتر بنزین خواهد بود. بنابراین اگر به مدت یک سال کار کند معادل انرژی ۵۰۰ میلیارد بشکه نفت انرژی تولید می‌کند.





ارزش اقتصادی این مقدار انرژی که ۲ برابر انرژی ذخایر نفت عربستان سعودی است با احتساب قیمت هر بشکه نفت بر مبنای ۲۰ دلار برابر است با ۱۰ تریلیون دلار. در صورتی که ما از این سیستم شتاب دهنده استفاده کنیم نیازی به سوزاندن این حجم عظیم نفت و گاز برای تولید انرژی نداریم. مزایای این سیستم عبارتند از:

1. می‌توان در ابعاد و اندازه‌های مختلف ساخت.
2. هزینه ساخت و نگهداری آن کم بوده است.
3. هیچگونه زباله یا آلودگی محیطی تولید نمی‌کند. محصول نهایی آن آب خالص یا بخار آب است.
4. با استفاده از این دستگاه عملاً عمر منابع انرژی نامحدود می‌شود و منبع عظیمی از انرژی در دسترس خواهد بود.‏

انواع شتاب دهنده

شتاب دهنده‌ها به چند دسته کلی تقسیم بندی می‌شوند:

1. شتاب دهنده‌های خطی
2. شتاب دهنده‌های مداری
3. شتاب دهنده سیکلوترون

شتابش باریکه ذرات

• ذراتی که اغلب به منظور شتاب‌ دادن بکار می‌رود، عبارتند از: الکترونها ، ‏هسته‌ای سبک مانند ‏‏پروتون ، دوترون ، ذرات آلفا وغیره. ‏*اخیرا ذرات سنگینتر مثل هسته‌هایی از قبیل کربن ، اکسیژن ، بریلیم و ‏نئون نیز شتاب داده ‏شده‌اند.
  
  
• ذراتی که تشکیل یک باریکه را داده‌اند بسوی هدف که به اندازه کافی ‏نازک انتخاب می‌شود که ذرات بتوانند ‏با کمترین کاهش انرژی از آن عبور ‏کنند، سوق داده می‌شود.
  
  
• در اندرکنش ذرات مورد شتابش با هسته‌های اتمی عده‌ای از ذرات از ‏مسیر اولیه‌شان منحرف می‌شوند و یا ‏ممکن است در اثر برهمکنشهای ‏ذرات فرودی با هسته ذرات دیگری بیرون شوند.
  
  
• این هسته‌ها که در هدف به فواصل ‏‎10⁵‎‏ را بر شعاع ‏خودشان قرار دارند. همانند هدفی ‏شبکه گونه است که اهداف زیر در یک ‏آرایه شبکه‌ای پخش هستند، طوری که اکثریت ذرات فرودی بدون ‏برخورد با ‏این هسته‌ها از فواصل بین آنها بدون برخورد عبور می‌کنند و در مثبت ‏هدف ظاهر می‌شوند.

عوامل موثر در فرآیند شتابش

محققین عموما اندرکنشهای ناشی از چند ذره را که به قدر کافی به ‏هسته‌های واقع در هدف نزدیک می‌شوند، ‏مورد بررسی قرار می‌دهند.‏ اثرات حاصله از شتابش ذرات به نوع و انرژی ذرات برخوردی بستگی دارد. ‏برای نمونه الکترونها با ‏بار منفی توسط هسته جذب شده و توسط ‏الکترونهای اتمی هدف پس زده می‌شوند. آنها انرژی خود را در ‏برخورد با ‏الکترونهای اتمی و هسته‌ها از دست می‌دهند. و این انرژی به صورت ‏تابش الکترومغناطیسی ‏در فضا ظاهر می‌شود. ‏معمولا برخورد با الکترونهای اتمی منجر به اشعه ایکس کم انرژی (حدود ‏چند ‏KeV‏) می‌شود. اما در ‏حالی که الکترونهای فرودی به قدر کافی پر ‏انرژی باشند، در اندرکنش با هسته‌ها گسیل تابشهای ‏الکترومغناطیسی ‏‏(چند ‏MeV‏) موسوم به اشعه گاما را میسر می‌سازند.‏

نواحی انرژی ذرات شتابدار

بطور مختصر در این مورد می‌توان برهمکنشهایی را که در ‏محدوده‌های مختلف انرژی رخ می‌دهند به این مباحث و اصطلاحات مربوط ‏کرد. بطور عمده سه ناحیه انرژی برای برهمکنشها در نظر گرفته ‏می‌شود:‏

• انرژیهای پایین: که برای الکترون ‏‎ 15Kev ‎‏و برای پروتون تا ‏MeV‏30 در ‏نظر می‌گیرند.‏
• ‏انرژیهای میانی: شامل انرژیهای ‏KeV‏15 تا ‏MeV‏2 برای الکترون و ‏MeV‏30 تا ‏MeV‏4 برای پروتون منظور می‌شود.‏
• انرژیهای بالا: در ورای این حدود بیشینه فوق‌الذکر برای الکترون و پروتون است که طبیعتا سرعتهای رسیده به سرعت نور مطرح می‌باشد.‏

جای پای شتاب دهنده‌‌ها در سایر علوم

• در اواخر قرن نوزدهم ، هنگامی که بررسیهای اتم و مولکول درست در ‏شرف آغاز بود، وضعیت ‏یک دانشمند و فیزیکدان شبیه کسی بود که در ‏یک اتاق بر دیوار‌های آن چرخها ، اهرمها ‏، قرقره‌ها و همه انواع وسایل ‏مکانیکی آویزانند، زندانی باشد. شخص دانشمند در آن اتاق هیچ کار ‏‏ذهنی نمی‌تواند بکند، الا اینکه دیگر اهرمها را فشار دهد و حرکت حاصله ‏را تجزیه و تحلیل کند تا اینکه بفهمد ‏ماهیت آن ساز و کار مخفی چیست؟ شکل مشابه برای وضعیت کنونی دانش ما از هسته‌ای ، اتمی و ذرات ‏بنیادی قابل تصور است.
  
  
• علی‌رغم اینکه در سالهای اخیر در جهت وحدت مدلهای هسته‌ای ‏گامهای مهم مختلف و به ظاهر مترادف ‏برداشته شده‌ است، کارهای ‏زیادی باید در آینده انجام گیرد. در حقیقت موضع این مبحث یکی از ‏مهمترین ‏اهرمهای فیزیک هسته استوتکنولوژی هسته‌ای به ‏شتاب‌ دهنده‌های ذرات می‌باشد. هدف آنها تولید باریکه‌ای ‏ذرات ‏باردار الکتریکی با تندی بسیار بالا در حدود‏‎10⁴ ‎‎ الی‎3x10⁵ ‎Km/s ‎‏ بسته به نوع شتاب دهنده است. سرعت ‏اخیر مربوط به سرعت نور و مطابق نظریه پیشینه سرعتی ‏است که یک ‏ذره مادی می‌تواند دارا شود.

مباحث مرتبط با عنوان

• الکترون
• پروتون
• سیکلوترون
• ‏شتاب دهنده خطی
• شتاب دهنده‌ وان دوگراف‏
• کاربرد پزشکی مواد رادیو اکتیو
• نوترون
• ‏واکنشهای هسته‌ای
• انرژی جنبشی
• انرژی نسبیتی
• جرم سکون
• جرم نسبیتی
• حرکت نسبیتی
• سرعت نور
• مکانیک نسبیتی
• میدان الکتریکی
• میدان مغناطیسی
• میدان الکترومغناطیسی