Atominis greitintuvas – fiziko prietaisas branduoliams tirti. Prietaisas — tai skamba kukliai. Greitintuvai yra milžiniški įrenginiai, kurių dydį galima palyginti su gyvenamaisiais namais, o svorį… Duosime konkretų pavyzdį.
Didžiausias pasaulyje greitintuvas – sinchrofazotronas, pastatytas Tarybų Sąjungoje 1956 metais, turi magnetą, kurio masė yra 36 tūkstančiai tonų. Jis patalpintas dideliame pastate, sulig keliais aukštais.
O kam reikalingas fizikams šis brangiai kainuojantis, galingas įrenginys? Sudaryti srautui pagreitintų įkrautų dalelių. su kuriomis galima ištirti atominių branduolių sandarą, išaiškinti jėgas, kurios jungia vieną su kita sudėtines šių branduolių dalis, ir daugeliui kitų mokslinių tikslų.
Galima sakyti, kad greitintuvas atomininkui fizikui yra savotiška patranka, kuria jis gali „šaudyti“ į atomų branduolius.
Kiekvienas greitintuvas (o jų yra daug ir įvairių tipų) pagreitina įkrautas daleles su elektros ir magneto jėgų pagalba. Šios dalelės (įvairių elementų elektronai, protonai, deutronai, jonai) turi būti elektros krūvio nešėjos nes elektros ir magneto jėgos gali veikti tik įelektrintas daleles. Elektronas yra elementaraus neigiamos elektros krūvio nešėjas, protonas ir deutronas (susidedąs iš protono ir neutrono) elementaraus teigiamos elektros krūvio nešėjai, o jonai yra paprasti įkrauti atomai, netekę dalies elektronų, sudarančių jų išorinius apvalkalus, arba gavę atliekamų elektronų, vadinasi, dalelės, turinčios teigiamą ir neigiamą elektros krūvį.
Elektros jėgos, veikiančios greitintuvuose greitinamas daleles, atlieka maždaug tą patį vaidmenį, kaip patrankos vamzdyje parakui degant susidarančių dujų stangrumo jėgos. Pabūklo sviedinys greitėja tik per tą trumpą laikotarpį, kai jis yra vamzdyje, nes tik tada jį veikia dujų stangrumo jėgos. Tuo momentu, kai sviedinys išlekia iš vamzdžio, dingsta jo judėjimą greitinančios jėgos, ir toliau sviedinys lekia iš inercijos.
Vadinasi, sviedinio veikimo spindulys labai daug priklauso nuo vamzdžio ilgio. Tai gerai Žino inžinieriai – artileristai ir toliašaudes patrankas visada gamina ilgais vamzdžiais.
Panaši problema kyla ir inžinieriams-atomininkams, kurie stato greitintuvus, tik Žymiai didesniu mastu. Norėdami sudaryti tinkamas sąlygas dalelėms spartinti, jie turi iš tam tikslui skirtos kameros pašalinti pavojingiausia priešą – orą. Kameroje greitinamas atominis sviedinys lėkdamas neturi sutikti nė vienos oro dalelės, nes toks susidūrimas sviediniui visada pražūtingas. Be to, inžinieriai atomininkai turi sudaryti tokias technines sąlygas, kad dalelės greitėtų kuo ilgiausiu keliu, nes tik tada galima suteikti dalelėms didelį greitį, vadinasi, ir didelę energiją.
Todėl ir daromi greitinimo vamzdžiai, ilgos vakuumo kameros, panašios į patrankų vamzdžius, arba uždarų Žiedų formos kameros, kurių viduje dalelės gali daug kartų suktis uždaromis trajektorijomis orbitomis.
O kaip priversti daleles judėti kreivomis trajektorijomis, pavyzdžiui, apskritimine orbita? Šiam tikslui reikia panaudoti tam tikrą jėgą.
Pasirodė, kad šiam tikslui geriausiai tinka magnetinės kilmės jėgos. Taigi paprastai greitintuvai turi galingus elektromagnetus, kurie sudaro stiprius magnetinius laukus. Tačiau net šie galingi magnetai gali priversti daleles daryti tik labai didelių spindulių ratus.
Dalelė palengva įeina pro nedidelę anga. Greitinanajame vamzdelyje dalelė palengva įgauna vis didesnį greitį, lėkdama tuštumoje tik viena kryptimi. Dalelė „persiskelia galvą” į diską
Greitintuvo vakuumo kameroje dalelės judėjimas greitėja kreiva trajektorija (paprastai apskritimine arba artima apskritimui), daug kartų (šimtus tūkstančiu arba milijonus kartų) pralėkdama ja
Kaip tik dėl šių veiksnių atominiai greitintuvai yra tokie stambūs. Jų spartinamos dalelės, kad pasiektų didelį greitį, paprastai turi padaryti kelis šimtus tūkstančių apsisukimų, kurių metu jos nulekia kelią, lygų kelioms dešimtims tūkstančių kilometrų, o kartais ir dar ilgesnį. Dubnoje esančio Jungtinio instituto sinchrofazotrone greitinami protonai, kurie per 3,3 sekundės orbita apsisuka 4,5 milijono kartų. Per tą laiką jie nubėga 2,5 karto ilgesnį kelią, negu atstumas nuo Žemės ligi Mėnulio.
Tai labai ilgas kelias. Ir kiekvienas protonas, kuris jį nubėga, palieka greitintuvo vakuuminę kamerą greičiu, artimu šviesos greičiui. Beveik trys šimtai tūkstančių kilometrų per sekundę!
Atominiai greitintuvai yra labai brangūs įrenginiai, bet jų statyba šimteriopai apsimoka. Kiek iš tikrųjų be galo vertingų Žinių apie medžiagos sandarą ir mikrodalelių sąveiką gauta su jų pagalba! Artimiausia ateitis parodys, ką jų dėka galės padaryti fizikai. Visose pasaulio atominėse laboratorijose be paliovos vyksta galingų greitintuvų statybos lenktynės. Kiekvieno iš jų pasas yra elektronovoltais išreikšta pagreitintų dalelių energija, kurią atominis greitintuvas suteikia greitinamoms dalelėms. Pirmuosiuose greitintuvuose ši energija buvo lygi keliems šimtams tūkstančių elektronovoltų, šiuo metu ji viršijo jau dešimt milijardų šių vienetų.
Ši branduolinės fizikos sritis vystosi nepaprastai, sparčiu tempu. Naujausiais greitintuvais ne tik galima skaldyti atomų branduolius ir pažinti jų skilimo dėsnius, bet jie taip pat atskleidžia dideles galimybes dirbtinei medžiagos sintezei vykdyti. Jie padeda kurti naujas mikrodaleles, įgalina gauti naujus elementus, tokius, kokių natūralių gamtoje nepasitaiko.