เครื่องเร่งอนุภาค (1)

ตอนต้นของศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบโครงสร้างของอะตอมและพบว่า อะตอมประกอบด้วยส่วนที่เล็กลงไปอีก เรียกว่า subatomic particles ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน จากการทดลองในช่วงหลังของศตวรรษที 20 ด้วยเครื่องบดอะตอม (atom smashers) หรือเครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerators) ได้เปิดเผยให้เห็นว่า โครงสร้างภายในของอะตอมยังมีความซับซ้อนลงไปอีก เครื่องเร่งอนุภาค สามารถเพิ่มความเร็วของอนุภาค อย่างเช่นอิเล็กตรอน ให้เข้าใกล้ความเร็วแสง แล้วเข้าชนกับอะตอม และเผยโครงสร้างภายในออกมา

ภาพด้านปลายในการชนกัน ของลำอนุภาคอะตอมของทอง 2 ลำชนกัน ใน Relativistic Heavy Ion Collider

ภาพด้านข้างในการชนกันของลำอนุภาคอะตอมของทอง 2 ลำ ชนกัน ใน Relativistic Heavy Ion Collider

ในปี 1930 นักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองเกี่ยวกับรังสีคอสมิก ขณะที่อนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโปรตอน เคลื่อนที่จากอวกาศเข้าชนนิวเคลียสของอะตอมของตะกั่ว ได้มีอนุภาคขนาดเล็กหลายชนิดกระจายออกมา อนุภาคเหล่านี้ไม่ใช่โปรตอนหรือนิวตรอน แต่เล็กกว่านั้นมาก นักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่า นิวเคลียสจะต้องประกอบด้วยสิ่งที่เล็กลงไปอีก ซึ่งเป็นอนุภาคที่พื้นฐานกว่า จึงเริ่มมีการค้นหาอนุภาคเหล่านี้ขึ้น

ในเวลานั้น การทำให้อนุภาคพลังงานสูงเข้าชนอะตอม ทำได้โดยการขึ้นไปทำการทดลองบนยอดเขา ซึ่งมีรังสีคอสมิกสูงกว่าปกติ แต่ไม่นาน นักฟิสิกส์ก็ได้สร้างเครื่องมือขึ้นมา เรียกว่า เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) หรือเครื่องบดอะตอม (atom smasher) อุปกรณ์ชนิดนี้สามารถเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูง หรือมีพลังงานจลน์สูง และเข้าชนอะตอมที่เป็นเป้า จากนั้นจึงทำการตรวจวัดและวิเคราะห์อนุภาคและรังสีที่เกิดขึ้นจากการชนกัน ข้อมูลเหล่านี้สามารถบอกเราได้ถึงอนุภาคที่ประกอบกันเป็นอะตอม และแรงที่ยึดเหนี่ยวอะตอมไว้ด้วยกัน การทดลองของเครื่องเร่งอนุภาค ใช้อธิบายถึงส่วนประกอบได้ คล้ายกับเราศึกษาส่วนประกอบของโทรทัศน์ หลังจากที่เราปล่อยมันลงมาจากตึก Empire State

การทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค (Particle Accelerator)

คุณทราบหรือเปล่าว่าคุณมีเครื่องเร่งอนุภาคอยู่ในบ้าน หรืออาจจะใช้ในการอ่านบทความนี้ หลอดรังสีคาโทด (cathode ray tube ,CRT) ที่ใช้ในจอภาพของโทรทัศน์ หรือจอคอมพิวเตอร์ ความจริงแล้ว มันคือเครื่องเร่งอนุภาค

หลอด CRT ทำให้อนุภาคของอิเล็กตรอนจากขั้วลบเร่งความเร็วสูงขึ้น และเปลี่ยนทิศทางด้วยขั้วแม่เหล็กไฟฟ้า ในหลอดสุญญากาศ แล้วเขาชนโมเลกุลของสารเรืองแสง (phosphor) บนจอภาพ การชนแต่ละครั้งทำให้เกิดจุดของแสงขึ้นมาบนจอโทรทัศน์ หรือจอคอมพิวเตอร์

เครื่องเร่งอนุภาค มีการทำงานในลักษณะเดียวกัน ต่างกันตรงที่มีขนาดหญ่กว่า และพลังงานสูงกว่ากันมาก (ใกล้กับความเร็วแสง) การชนจะเกิดขึ้นที่อนุภาคภายในอะตอม และมีรังสีนิวเคลียร์หลายชนิดเกิดขึ้นมา

อนุภาคจะถูกเร่งด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ภายใน แบบเดียวกับนักสกีโต้คลื่นเคลื่อนที่ไปกับคลื่น การทำให้อนุภาคมีพลังงานยิ่งสูง ก็จะทำให้สังเกตโครงสร้างของวัตถุได้มากขึ้น แบบเดียวกับการเล่นบิลเลียด การส่งแรงจากไม้คิว ให้ลูกที่เข้าชนมีความเร็วสูงมาก จะทำให้กลุ่มของลูกที่จัดเรียงไว้กระจายออกไปมาก

เครื่องเร่งอนุภาคแบ่งออกเป็น 2 ประเภท

  • แบบเชิงเส้น (Linear) อนุภาคจะเคลื่อนที่ไปตามความยาว และเข้าชนเป้าในแนวเส้นตรง
  • แบบวงกลม (Circular) อนุภาคจะเคลื่อนที่วนเป็นวงกลมจนกระทั่งเข้าชนเป้า
ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบเชิงเส้น (linear accelerator) อนุภาคจะเคลื่อนที่ไปตามความยาวของเครื่องเร่ง ซึ่งเป็นท่อทองแดงสุญญากาศ คลื่นที่ใช้เร่งผลิตจาก wave generator เรียกว่า klystrons ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าใช้บีบลำอนุภาคให้เป็นลำแคบๆ เมื่อลำอนุภาคเข้าชนเป้าที่ส่วนปลายของท่อ (tunnel) จะมีเครื่องวัดรังสีหลายชนิดติดตั้งอยู่เพื่อบันทึกสิ่งที่เกิดขึ้น ทั้งอนุภาคและรังสีที่ปลดปล่อยออกมา เครื่องเร่งอนุภาคแบบนี้ มีขนาดใหญ่ และมักจะอยู่ใต้พื้นดินตัวอย่างของ linear accelerator คือ linac ที่ Stanford Linear Accelerator Laboratory (SLAC) รัฐ California ซึ่งมีความยาวประมาณ 1.8 ไมล์ หรือ 3 กิโลเมตร  

ภาพมองจากด้านบนของ SLAC linear accelerator
ส่วนของ linac อยู่ใต้พื้นดิน ตามแนวเส้นสีขาวในรูป

เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม (Circular accelerators) มีการทำงานคล้ายกับ linacs แต่แทนที่จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง อนุภาคจะถูกดึงให้เคลื่อนที่เป็นวนวงกลมหลายรอบ แต่ละรอบจะได้รับแรงจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้ลำอนุภาคถูกเร่งอย่างต่อเนื่อง เมื่ออนุภาคมีพลังงานสูงตามที่ต้องการแล้ว จะใส่เป้าลงไปในแนวของลำอนุภาค ที่ตำแหน่งของเครื่องมือวัดรังสีหรือตำแหน่งใกล้เคียง เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม เป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบแรกที่มีการประดิษฐ์ขึ้นในปี 1929 เครื่อง cyclotron อันแรกที่ประดิษฐ์ขึ้น มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 นิ้ว หรือ 10 เซนติเมตร

cyclotron ของ Lawrence ใช้แม่เหล็กรูปตัว D 2 ชิ้น วางใกล้กัน โดยมีช่องว่างแคบๆ คั่นกลาง แม่เหล็กจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเป็นวงกลม เมื่อป้อนไฟฟ้าสลับ จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าผ่านช่องว่าง ไปเร่งอนุภาคหรือไอออน ที่เคลื่อนที่ผ่านไปทุกรอบ เมื่ออนุภาคมีความเร็วสูงขึ้น รัศมีขงวงกลมในการเคลื่อนที่จะมากขึ้น จนกระทั่งเข้าชนเป้า ที่ตำแหน่งนอกสุดของวงกลม cyclotron ของ Lawrence ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่มีพลังงานไม่สูงเท่าเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมรุ่นใหม่

เครื่องเร่งอนุภาคเครื่องแรก (cyclotron)) พัฒนาโดย Ernest O. Lawrence ในปี 1929

แผนภาพของเครื่องเร่งอนุภาคแบบ cyclotron

เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมรุ่นใหม่วาง klystrons และขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า ไว้รอบท่อทองแดงทรงกลมที่ใช้เร่งอนุภาค และมีเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมหลายชนิด ที่มี linac แบบสั้นๆ ใช้เร่งอนุภาคในตอนต้นก่อนที่จะเข้าสู่วงกลม ตัวอย่างเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมรุ่นใหม่ คือเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่ Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ในรัฐ Illinois ซึ่งมีพื้นที่ 10 ตารางไมล์ หรือ 25.6 ตารางกิโลเมตร

ภาพด้านบนของ Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)

 
ถอดความจาก How Atom Smashers Work
www.howstuffworks.com
 
หน้า
1
2
3
4

 

  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2  กลศาสตร์เวกเตอร์
โลหะวิทยาฟิสิกส์ เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1
ฟิสิกส์  2 (บรรยาย) แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  
ฟิสิกส์พิศวง สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
แผ่นใสการเรียนการสอน วีดีโอการเรียนการสอน
หน้าแรกในอดีต

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

เอกสารการสอน PDF

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ  ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)
พจนานุกรมฟิสิกส์  กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร์
ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์  ดาราศาสตร์ราชมงคล

 

 

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์ เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์
คำศัพท์ประจำสัปดาห์

แบบฝึกหัดออนไลน์

ทดสอบออนไลน์  

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์
นักวิทยาศาสตร์เทศ นักวิทยาศาสตร์ไทย
ดาราศาสตร์พิศวง  การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์
การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

สุดยอดสิ่งประดิษฐ์ 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร์
3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ 4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ
5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน 6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
7.  งานและพลังงาน  8.  การดลและโมเมนตัม
9.  การหมุน   10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง
11. การเคลื่อนที่แบบคาบ 12. ความยืดหยุ่น
13. กลศาสตร์ของไหล   14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน
15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก  16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร
17.  คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต 2.  สนามไฟฟ้า
3. ความกว้างของสายฟ้า  4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 
5. ศักย์ไฟฟ้า 6. กระแสไฟฟ้า 
7. สนามแม่เหล็ก  8.การเหนี่ยวนำ
9. ไฟฟ้ากระแสสลับ  10. ทรานซิสเตอร์ 
11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม
15. โครงสร้างของอะตอม 16. นิวเคลียร์ 

   การเรียนการสอนฟิสิกส์ทั่วไป  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. จลศาสตร์ ( kinematic)

   2. จลพลศาสตร์ (kinetics) 

3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปิลฮาร์โมนิก คลื่น และเสียง
5.  ของไหลกับความร้อน 6.ไฟฟ้าสถิตกับกระแสไฟฟ้า 
7. แม่เหล็กไฟฟ้า  8.    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแสง
9.  ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร์ 

 

 

 

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ธรรมชาติมหัศจรรย์