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 | ||||
|
||||
| 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 |
||||
|
||||
| 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 | ||||
|
||||
| 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 |
||||
|
||||
| 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 | ||||
|
||||
| ถอดความจาก How Atom Smashers Work www.howstuffworks.com |
- 16 ถ.วิภาวดีรังสิต ลาดยาว จตุจักร กรุงเทพฯ 10900
