2015. Poznatky moderní fyziky a jejich využití

Střední škola KNIH, o. p. s.

Maturitní práce 2014/2015 Poznatky moderní fyziky a jejich využití

Autor práce: Roman Hamala Vedoucí maturitní práce: RNDr. Jaroslava Potůčková

Poznatky moderní fyziky a jejich využití

Maturitní práce 2014/15

Prohlášení Potvrzuji, že jsem tuto maturitní práci zpracoval samostatně, a že jsem v ní použil pouze tu literaturu a další informační zdroje, které jsem uvedl v seznamu použitých informačních zdrojů a současně v poznámkovém aparátu. Beru na vědomí, že porušení této zásady povede k hodnocení mé maturitní práce stupněm 5 – NEDOSTATEČNÝ.

16. Února 2015

Roman Hamala

2



Obsah Úvod……………………………………………………………………………………7 1 SUPRAVODIVOST…………………………………………………………………………8 1. 1 Objev a princip supravodivosti……………………………………………………8 1. 1. 1 Objev jevu……………………………………………………………...8 1. 1. 2 Princip…………………………………………………………………...8 1. 2 Praktické využití supravodivosti…………………………………………………..8 1. 2. 1 Neomezené uchování elektrické energie………………………………..8 1. 2. 2 Setrvačníky ve vesmírné technice………………………………………9 1. 2. 3 Vysoce efektivní přenos elektrické energie……………………………..9 1. 2. 4 SQUID………………………………………………………………......9 1. 2. 5 Využití v budoucnosti………………………………………………….10 2 MAGNETICKÁ LEVITACE………………………………………………………………11 2. 1 Objev a princip magnetické levitace……………………………………………..11 2. 1. 1 Objev jevu……………………………………………………………..11 2. 1. 2 Princip…………………………………………………………………11 2. 2 Praktické využití magnetické levitace……………………………………………12 2. 2. 1 Vysokorychlostní železnice……………………………………………12 2. 2. 2 Levitující magnetická ložiska………………………………………….12 2. 2. 3 Ultratenké klávesnice využívající magnetickou levitaci………………13 2. 3 Využití magnetické levitace v budoucnosti……………………………………...14 2. 3. 1 Ve vesmírném inženýrství……………………………………………..14 3 PIEZOELEKTRICKÝ JEV………………………………………………………………...15 3. 1 Objev a princip piezoelektrického jevu…………………………………………..15 3. 1. 1 Objev jevu……………………………………………………………..15 3. 1. 2 Princip…………………………………………………………………16 3. 2 Praktické využití piezoelektrického jevu………………………………………...17 3. 2. 1 Piezoelektrický jev v zapalovačích……………………………………17 3. 2. 3 elektrické motory………………………………………………………17 3. 2. 4 Budoucí použití………………………………………………………..18 4 URYCHLOVAČE ČÁSTIC………………………………………………………………..18 4. 1 Vývoj a princip čističových urychlovačů………………………………………...18 4. 1. 1 Lineární urychlovače částic……………………………………………18 4. 1. 2 Kruhové urychlovače částic…………………………………………...18 4. 2 Praktické využití urychlovačů částic…………………………………………….19 4. 2. 1 Velký hadronový urychlovač………………………………………….19 4. 2. 2 hadronové terapie……………………………………………………...20 5 ZÁVĚR……………………………………………………………………………………..22 6 PRAMENY…………………………………………………………………………………23 6. 1 Knižní…………………………………………………………………………….23 6. 2 Internetové………………………………………………………………………..23

3



Anotace Předkládaná maturitní práce je zaměřena na popis mladých fyzikálních objevů, jejich historií, funkcí a využitím v technologiích i praktickém životě. Dále jsou zde popisovány výhody a nevýhody jejich aplikací, nedávné experimenty i jejich možné využití v technologiích budoucnosti.

4



Annotation Presented graduation work is focused on the description of the young physics discoveries, their history, function and use in the technology and everyday life. There are also described the advantages and disadvantages of their applications, recent experiments and their possible use in future technologies.

5



Poděkování Rád bych tímto poděkoval paní RNDr. Jaroslavě Potůčkové za odborné vedení mé maturitní práce, za její podporu, pomoc s výběrem obsahu, cenné rady a za čas, který mi věnovala.

6



Úvod Předkládaná maturitní práce je zaměřena na popis mladých fyzikálních objevů, jejich historií, funkcí a využitím v technologiích i praktickém životě. Práce je rozdělena do čtyř hlavních kapitol, z nichž každá věnuje pozornost jednomu jevu, historii jeho objevu, principu a aplikaci v současných i budoucích technologiích. Toto téma jsem si vybral, protože mě zajímají nejen moderní technologie a jejich funkce, ale také aplikace poznatků soudobých vědců v budoucnosti. Jejím vypracováním jsem chtěl zdokonalit své znalosti v tomto oboru.

7



1 Supravodivost

1. 1 Objev a princip supravodivosti

1. 1. 1 Objev jevu Fakt, že při ochlazování kovů klesá jejich elektrický odpor byl znám již v 19. století. Nizozemský fyzik Hejle Kamerlingh-Onnes rou 1911 učinil při pokusech o dosažení co nejnižších teplot nečekaný objev; Při ochlazení většiny testovaných kovů na kriricky nízkou teplotu jejich elektrický odpor zcela zmizel. Vzhledem k vysoké vodivosti elektřiny, která z tohoto faktu vyplývá byl jev nazván supravodivostí. První skutečná teorie supravodivosti se ovšem objevila až roku 1957 (teorie BCS); tvrdící, že za přechod do supravodivého stavu je odpovědná interakce mezi elektronovými páry s opačným spinem.

1. 1. 2 Princip Supravodivost materiálů je jev známý z oblasti kvantové mechaniky, při němž materiál klade minimální, či prakticky žádný zaznamenatelný odpor průchodu elektrického proudu., neuvolňuje se žádné ohmické teplo a materiál vypuzuje ze svého objemu magnetické siločáry, čímž, jak bylo později zjištěno, odpuzuje vnější magnetická pole a sám ve svém okolí vytváří magnetické pole s velkou silou.

1. 2 Praktické využití supravodivosti Supravodivost nachází uplatnění na mnoha místech. Supravodivé elektromagnety se dnes používají, když chceme dosáhnout silných magnetických polí bez obvyklých ztrát energie, k nimž dochází v elektromagnetech, v jejichž cívkách jsou použity běžné vodiče. Problém vznikne, pokud chceme dosáhnout velice silných magnetických polí. Ve vinutí samotného magnetu dochází k indukování magnetického pole a příliš vysoké magnetické pole může narušit supravodivost cívky. Tento problém lze zmírnit používáním takzvaných supravodičů „II. druhu“. Jde o supravodiče, v nichž není magnetické pole z daného kovu vytlačeno zcela, nýbrž dokáže do supravodiče proniknout tenkými „trubicemi“ magnetického

8



toku. Elektromagnety, které využívají takovýto supravodivý drát, dokáží vytvořit velmi silné magnetické pole. Schopnost supravodičů odstínit magnetické pole lze využít také ke zdokonalení elektronových mikroskopů.

1. 2. 1 Neomezené uchování elektrické energie Vzhledem k nulovým ztrátám elektrického napětí při použití supravodivých materiálů je možné uchovávat elektrickou energii neomezeně dlouho. Do cívky tvořené ze supravodivého materiálu stačí jednorázově vpustit proud a poté jeho zdroj odpojit. Zavedený proud by touto cívkou měl teoreticky téct nekonečně dlouhou dobu beze změny. Tato technologie se využívá v elektrárnách, kde vpouštěním a vypouštěním napětí z těchto cívek do sítě lze vyrovnávat fluktuace.

1. 2. 2 Setrvačníky ve vesmírné technice Supravodivých vlastností se hojně využívá v družicových setrvačnících. Ve vesmíru jsou velmi příhodně pro efekt supravodivosti nízké teploty, díky čemuž se nemusí materiály nijak chladit. Funkce setrvačníku se spustí v případě neplánovaného pohybu družice. V takovém případě se osa setrvačníku vychýlí z vlastní osy, což upozorní systémy družice ke změně směru. Existují pokusy s využitím kinetické energie setrvačníku k výrobě elektřiny, která by mohla dále zásobovat vesmírnou stanici.

1. 2. 3 Vysoce efektivní přenos elektrické energie V dnešní době se ve vedení nejčastěji používají hliníkové dráty. V případě nahrazení těchto materiálů supravodivými kovy by bylo možné používat mnohem nižší napětí; na rozdíl od soudobé metody, kdy se do oběhu kvůli velkým elektrickým ztrátám musí vpouštět mnohem vyšší napětí, než spotřebitel na druhé straně získá. Také supravodivé magnety jsou mnohem efektivnějšími generátory elektřiny než soudobá zařízení. Za použití vysokoteplotních supravodičů se dá s dvakrát menším generátorem dosáhnout několikrát vyšší efektivity než s dnešními monstry.

9



1. 2. 4 SQUID Jedná se o zkratku anglických slov: Superconting Quantum Interference device. Česky by se tento název dal přeložit jako sépie. SQUID je souhrnný název zařízení používaných k měření změn magnetických polí. Tato zařízení jsou velmi citlivá a používají se všude, kde lze měřenou veličinu převést na magnetický tok. Uplatnění nacházejí především v lékařství, kde se pro svoji citlivost používají v magnetické resonanci, či k měření magnetických polí v lidském mozku.

1. 2. 5 Využití v budoucnosti V budoucnosti je plánované použití supravodivých materiálů v přechodech, které by mohly tvořit základní pohony futuristických počítačů, ale i motorů aut, lodí a vlaků, či ve vesmírném průmyslu. Další efektivní využití by supravodivost mohla nalézt v armádních zařízeních, kde by mohla být využita jako zbraň rušící nepřátelská zařízení fungující na elektrický proud. Taková zbraň by tedy dokázalo zničit téměř veškerou nepřátelskou techniku. Podle odtajněných dokumentů vložila americká armáda od roku 2006 do vývoje těchto zbraní již 22 miliard dolarů.

10



2 Magnetická levitace

2. 1 Objev a princip magnetické levitace

2. 1. 1 Objev jevu Při objevu magnetické levitace hrály velkou roli soudobé pokroky v dosahování velmi nízkých teplot a výzkumu supravodivosti. Až do roku 1933 byly supravodiče považovány pouze za látky s velmi nízkým elektrickým odporem. Tohoto roku ovšem Walter Meissner a R. Ochsenfeld objevili, že supravodiče mají taktéž schopnost dokonale vytlačovat magnetické pole ze svého objemu. Tento jev se nazývá perfektní diamagnetimus a nazývá Meissnerův efekt.

2. 1. 2 Princip Magnetická levitace, maglev, nebo magnetická suspenze je metoda, při které je není objekt nadnášen ničím jiným než právě působením magnetického pole. Magnetická síla se tedy v maglevu používá k vyrovnání přirozené gravitační síly. Dva hlavní faktory potřebné k uskutečnění magnetické levitace jsou vztlaková síla, která musí poskytovat dostatečnou sílu překonávající gravitaci a stabilita; magnety musí být stabilizovány, aby jeden z nich spontánně nesklouznul nebo se nepřevrátil, čímž by magnetické působení neutralizovalo. Magnetické materiály i celé systémy jsou schopné se vzájemným působením přitahovat, či odpuzovat v závislosti na velikosti a síle svého magnetického pole a vzájemné vzdálenosti. Ten nejjednodušší příklad tohoto jevu by byl jednoduchý dipólový magnet lokalizovaný uvnitř magnetického pole jiného dipólového magnetu orientovaný právě tak, že by k sobě oba magnety mířily stejným pólem, aby se přitahovaly, či odpuzovaly. Earnshawův teorém dokazuje, že při využívání paramagnetických materiálů (například paramagnetických kovů) je levitace nemožné dosáhnout překonání gravitace.

11



V případě použití těchto materiálů jsou na sebe působící magnety silně nestabilní; levitující magnet má tendenci sklouzávat a přetáčet se. Je dokázáno, že v tomto případě nelze dosáhnout stability. Statická stabilita Statická stabilita znamená, že každá drobná odchylka jednoho ze dvou magnetů od rovnovážného stavu zapůsobí na magnety energií, která je posune zpět do rovnovážného bodu.

Dynamická stabilita Za dynamicky stabilní se považuje právě taková magnetická levitace, u které při jakýchkoliv vibracích, či jiných jevech narušujících stabilitu magnetů, dojde samovolně k opětovné stabilizaci magnetů pouze efektem magnetické přitažlivosti.

2. 2 Praktické využití magnetické levitace

2. 2. 1 Vysokorychlostní železnice Na rozdíl od obyčejných kolových železnic, tratě pro rychlovlaky s originálním názvem Maglev jsou tvořeny pomocí supravodivých magnetů. Tyto magnety jsou zabudovány i na spodní straně vlakové soupravy. Vzájemným působením obou skupin je možné vlak nadzvednut 5 až 10 centimetrů nad povrch tratě a současně přesunovat vpřed. Tyto vlaky jsou teoreticky schopny dosahovat neomezených rychlostí; bohužel jsou ale stále omezovány vlastní hmotností a odporem vzduchu. Nejrychlejší vlak postavený na tomto principu dosáhl v roce 2003 rychlostního rekordu 581 km/H.

12



2. 2. 2 Levitující magnetická ložiska Vývoj tohoto typu ložisek začal již v polovině 20. století. Dnes se magnetická ložiska již běžně vyrábí v širokém sortimentu. Pevná a rotující část ložiska jsou v prostoru udržovány magnetickým polem ve stálé poloze, aniž by s navzájem dotýkaly. U klasických kluzných ložisek vzniká mezi pánví a hřídelí olejový film. Na rozdíl od kluzných ložisek mají magnetická několik zásadních výhod; minimální odpor, při jejich provozu nevzniká hluk, nedochází ke ztrátám třením ani k následnému oteplení. Mají dlouhou životnost, protože se neopotřebovávají, mohou pracovat v extrémních podmínkách, při mimořádně vysokých rychlostech, při vysokých i nízkých velmi teplotách, v chemicky agresivním prostředí, v páře i ve vakuu. Na druhou stranu oproti klasickým ložiskům existuje jedna obrovská nevýhoda magnetických ložisek. Potřebují elektrické zařízení dodávající jejich energii, což snižuje jejich spolehlivost. Zabírají tím více prostoru a jejich cena se podstatně zvyšuje.

2. 2. 3 Ultratenké klávesnice využívající magnetickou levitaci Na veletrhu Computex bylo představeno několik nových technologií, které v budoucnu přispějí k výraznému ztenčení notebooků. Tato inovativní technologie má potenciál budoucí generace notebooků ještě zeštíhlit. Prototyp této klávesnice nazvané Maglev od společnosti Darfon byl k vidění právě na Computex. Nižší profil kláves je zajištěn využitím magnetů namísto tradičních gumových membrán, které jsou k vidění u většiny současných běžných notebooků. Tlačítka tak v podstatě levitují díky odpuzujícím se magnetům. Díky využití magnetů tak klávesy nemusí být usazeny v kolébkách, čímž se výrazně ušetří prostor a klávesnice je tak podstatně nižší. Prototyp klávesnice představený na veletrhu Computex měl skutečně velice nízký zdvih i profil. Podle serveru CNET byly ale klávesy tak blízko k samotnému tělu notebooku, že na nich bylo dosti obtížné psát. Po vyjmutí klávesnice z šasi notebooku se na ní ale prý píše dobře. Další nespornou výhodou Maglev klávesnice je také její životnost. Ta by se měla údajně pohybovat kolem 15 milionů úhozů, zatímco životnost tradičních notebookových klávesnice se pohybuje kolem 10 milionů úhozů. Darfon slibuje, že první notebooky s jejich

13



klávesnicí by se na trhu mohly objevit v druhé polovině letošního roku. Otázkou zůstává, který výrobce si tuto technologii osvojí jako první a začne tento koncept využívat.

2. 3 Využití magnetické levitace v budoucnosti 2. 3. 1 Ve vesmírném inženýrství Magnetická levitace může najít mnohá uplatnění ve projektech kosmického cestování. Vzhledem k velice nízkým teplotám ve vesmíru odpadají problémy s umělým zchlazováním magnetů, což z vesmíru dělá pro technologie založené na tomto jevu téměř ideální prostor. Jedním ze smělých futuristických projektů je například katapult StarTram. Jde doslova o katapultovací zařízení vytvořené z maglevů, které by se mělo tyčit až do výšky dvaceti kilometrů nad povrch země. „Projektily“ vystřelované z tohoto zařízení by podle výzkumů inženýra vesmírných technologií Georgie Maisse měly pohodlně dosáhnout oběžné dráhy země. Momentálně se počítá se dvěma modely této dopravy. Jeden zahrnující pouze převážení nákladu a druhou otevřenou pro vesmírný turismus. V každém případě by šlo o variantu mnohem levnější a elegantnější než moderní vystřelování raket pomocí tun paliva. A ve vesmíru samotném by se maglev dal využít ještě dokonaleji. Například u Mezinárodní vesmírné stanice, kde připojování každé nové součásti trvá hodiny práce, by se mohly dva moduly jen jednoduše spojit pomocí magnetů. Tato metoda by navíc poskytovala i možnost opětovně dvě části rozpojit a znovu spojit. V budoucnosti by tedy mohly existovat gigantické vesmírné stanice elegantně přetvářející svoji vlastní podobu dle momentální potřeby své posádky.

14



3 Piezoelektrický jev

3. 1 Objev a princip piezoelektrického jevu

3. 1. 1 Objev jevu Piezoelektrický jev, při kterém materiál generuje elektrické napětí v důsledku teplotních změn byl zkoumán již v 18. století Carlem Linnauesem a Franzem Aepinusem. Z výsledků svých zkoumání vyvozovali, že mezi těmito jevy existuje určitá spojitost, ovšem jejich experimenty tuto teorii nikdy nepotvrdily. První demonstraci přímého piezoelektrického jevu předvedli v roce 1880 bratři Pierre a Jacques Currieovi. Kombinací svých znalostí z oborů pyroelektricky a pochopení krystalových struktur dokázali vytvořit napětí po zahřátí turmalínu, křemene, topazu a dokonce cukrové třtiny. Currieovi ovšem nepředpokládali existenci piezoelektrického jevu v případě deformace krystalu. Existence tohoto jevu musela být matematicky vydedukována Gabrielem Lipmannem roku 1881. Currieovi po zjištění této teorie okamžitě začali s experimenty které tuto funkci prokázali jako skutečnou a dále se věnovali studiím spojeným se vznikem elektrického proudu v případě deformací krystalové mřížky. Po několik dalších dekád zůstal piezoelektrický jev pouze jako laboratorní kuriozita. Vědci se více zabývali prací ve výzkumu krystalových mřížek než samotného piezoelektrického jevu. Zlom nastal roku 1910 v souvislosti s vydáním knihy Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Učebnice krystalové fyziky), která popisovala 20 přírodních krystalů schopných produkovat elektrické napětí a vysvětlila princip této funkce.

3. 1. 2 Princip Funkce piezoelektrického jevu je spojena s existencí elektrické dipolarity v pevných látkách. Při mechanickém namáhání piezoelektrické látky dochází na stlačených plochách ke generaci elektrického napětí. Jedná se o polarizaci látky tlakem.

15



Při příliš vysokých teplotách dochází u krystalů ke ztrátě schopnosti generovat elektrické napětím protože je narušeno uspořádání iontů. Každý materiál má svoji charakteristickou teplotu nazývající se Curieova teplota. Piezoelektrický jev má dvojí dělení:

Přímý piezoelektrický jev Přímý piezoelektrický jev vzniká se projevuje generací elektrického náboje na povrchu látky v důsledku její deformace. To znamená, že se od sebe elektrická těžiště kladných a záporných iontů vzdálí.

Nepřímý piezoelektrický jev Opak přímého jevu, tedy deformace piezoelektrické látky v důsledku vystavení elektrickému napětí.

3. 2 Praktické využití piezoelektrického jevu

3. 2. 1 Piezoelektrický jev v zapalovačích Piezoelektrický jev je využíván dokonce v něčem tak obyčejném jako jsou zapalovače. Součást zapalovače příhodně pojmenovaná piezo se mimo jiné skládá z krystalu syntetického křemene, do kterého při zmáčknutí zapalovače udeří pružinou hnané kladívko a deformací jeho krystalové struktury vznikne jiskra. Ta je odvedena do jiskřiště, kde zapálí plyn. Stejný princip je použit u všech plynových zapalovačů (např. ve sporáku).

3. 2. 2 Piezoelektrické oscilátory ve vysokofrekvenční technice Oscilátory jsou všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních veličin. Jsou to zařízení, které umí generovat napětí sinusového průběhu. Oscilátory řízené krystalem se vyznačují svojí vysokou stabilitou. Řídící člen je tvořen destičkou potřebného tvaru vyříznutou z křemene, umístěnou mezi dvěma kovovými

16



elektrodami. Na ně vedené střídavé napětí způsobuje mechanické kmity krystalového výbrusu.

3. 2. 3 Elektrické motory Motory elektrických automobilů jsou další technologií využívající piezoelektrický jev. Na rozdíl od svých zážehových protějšků je podstatou jejich funkce elektrickým proudem vyvolaná deformace povrchové vrstvy statoru, která se převede na rotační energii pohánějící motor. Elektrické motory se rozdělují na: piezoelektrické motory využívající stojaté vlny, využívající postupnou elastickou vlnu, využívající mód dvojité vibrace, využívající vícenásobný vibrační mód a hybridní (využívající dva nezávisle pracující vibrační systémy).

3. 2. 4 Budoucí použití Jedním se zajímavých projektů využívajících piezoelektrický jev je například projekt Soundscraper skupiny futuristických francouzských designérů. Soundscraper je návrh gigantického mrakodrapu využívajícího městský ruch (tedy vibrace vyvolané zvukovými vlnami) k výrobě vlastní elektrické energie. Vzhledem k originálnosti této myšlenky nejsou zveřejněny žádné detaily, ale můžeme se domnívat, že uvnitř komplexu bude umístěno zařízení zvyšující resonanci zvukových vibrací natolik, aby krystalické materiály byly schopné vytvořit dostatek elektrické energie pro zásobování svých obyvatel. Další možnosti uplatnění by mohl piezoelektrický jev nalézt v podobě generátoru umístěného na tlumiči každého kola elektromobilu nebo hybridního automobilu. Takto instalovaný piezoelektrický generátor by potom spolu s funkcí tlumiče automobilu využíval rázy kol způsobené při přejíždění po nerovnostech vozovky. Vygenerovaná energie by poté mohla být pomocí elektroniky upravena k použití jako další pomocný zdroj energie k dobíjení akumulátoru hybridních a elektrických vozidel. Dojezd elektromobilů a úspora paliva u hybridních automobilů je závislá na stavu nabytí akumulátoru, a proto každý příspěvek energie k dobíjení je v těchto systémech přínosem ke zvyšování celkové účinnosti pohonu. Piezoelektrický generátor, takto umístěný na tlumičích rázu nebo tlumičích vibrací, by se podobně jako u automobilu dal i u dalších strojů a spotřebičů ke zvýšení využití jejich energie.

17



4 Urychlovače částic

4. 1 Vývoj a princip částičových urychlovačů Urychlovač částic je zařízení používající elektromagnetická pole k vysokorychlostnímu pohonu nabytých částic v přesně určených drahách. Nabyté částice (ionty, pozitrony, elektrony) jsou kinetickou energií jednou, či opakovaně urychleny. Jejich pravděpodobně nejznámější využití je k výzkumu elementárních částic, ale hojně se využívají i v technické praxi. Existují dva základní typy rozdělení urychlovačů; lineární a obloukové.

4. 1. 1 Lineární urychlovače částic Lineární urychlovače využívají ke svojí funkci pouze elektrické pole. Jsou tvořeny dlouhou trubicí obsahující řadu válcových elektrod, které vystřelenou částici urychlují na několika místech. Délka jednotlivých elektrod je volena tak, aby se při průletu částice trubicí stihla měnit její polarita; s narůstající požadovanou rychlostí částice tedy musí růst velikost elektrod. Výhodou lineárních urychlovačů je jejich poměrně jednoduchá konstrukce.

Klasickým příkladem lineárního urychlovače je iontová trubice. Jedná se o jednu z prvních konstrukcí urychlovačů částic založenou na elektrostatickém principu. Původní modely se stavěly ze skla, později se s narůstající náročností na výšku napětí přešlo na porcelán, který se používá i dnes. Velké iontové trubice byly součástí laboratoří minulého století; v dnešní době jsou jejich malé protějšky jedním ze základních komponentů klasických televizních obrazovek.

4. 1. 2 Kruhové urychlovače částic Neboli synchrotrony jsou nejvyspělejší a nejsilnější typy částičových urychlovačů. Synchrotrony sestávají z velké kruhově zakřivené trubice, skrz kterou cestují nabyté částice. Trubice je obklopena magnety udržující částice v pohybu jejím centrem. Ty oběhnou kruhový urychlovač než jsou dostatečně nabyté. Aby se dosáhlo zakřivení trajektorie průletu částic, síla magnetů je zvyšována adekvátně k energii nabytých částic. V několika vteřinách částice získají energie vyšší než 1 GeV a jsou vystřeleny proti svým protějškům, aby při kolizi vytvořily směs elementárních částic potřebnou k vědeckému výzkumu. 18



Princip synchrotronu může být aplikovaným buďto na elektrony nebo elektrony. Každopádně většina velkých kruhových urychlovačů je konstruována na principu proton – synchrotron. Největším urychlovačem tohoto druhu je LHC.

4. 2 Praktické využití urychlovačů částic

4. 2. 1 Velký hadronový urychlovač Velký hadronový urychlovač (LHC – Large Hadron Collider; v doslovném překladu velký hadronový srážeč) je největší urychlovač částic na světě. Je lokalizován ve Švýcarsku mezi pohořím Jura a Ženevským jezerem a v obvodu měří přibližně 27 kilometrů, jde tedy o největší mechanické zařízení světa. Svoji práci zahájil 10. září v roce 2008. Na jeho vývoji a současné udržování ve funkci pracuje přes 10 000 vědců a inženýrů z celého světa. LHC je instalován v hloubce 150 metrů pod zemí v tunelu původně konstruovaném pro Velký elektron-pozitronový urychlovač, přestože jeho součástí jsou i budovy postavené na povrchu. Tyto obsahují například ventilace, kompresory, chladící zařízení a ovládací stanice. Výsledky měření LHC jsou zásadní pro vědce zabývající se jadernou fyzikou. Výsledky zkoumání elementárních částic mohou otevřít nové dveře vědě a odhalit základní složky vesmíru. Přestože se částice srážejí asi 30 milionkrát každou vteřinu, urychlovač částic produkuje přibližně 20 srážek za každých 200 miliard vystřelených částic.

ALICE ALICE je název souhrnný název primárních a veřejnosti nejznámějších experimentů odehrávajících se v urychlovači částic. Jedná se o akronym anglických slov: A large ion collider experiment a jde o jeden z největších světových experimentů fyziky zaměřených na zkoumání hmoty v tom nejmenším měřítku. Tento projekt vyžaduje mezinárodní spolupráci více než 2000 vědců, inženýrů a techniků, zahrnující okolo 350 studentů kvantové fyziky pocházejících ze 154 institutů okolo celého světa. Otázky, které si experiment dává za cíl zodpovědět jsou: 19



-

co se stane s hmotou při zahřátí 100 000krát vyšší než teplota středu Slunce?

-

Proč protony a neutrony váží stokrát víc než kvarky, ze kterých jsou tvořené?

-

Mohou být kvarky obsažené v protonech a neutronech odděleny?

4. 2. 2 Hadronová terapie Hadronová terapie je metoda externální částicové radioterapie využívající paprsky nabytých protonů, neutronů a pozitivních iontů k „léčení“ rakoviny. Nejzákladnější formou této metody je protonová terapie existující od roku 2012. Přestože fotony užité v x-ray, či gama-ray terapii mohou být také považovány za částice, k protonové terapii se nezapočítávají. Elektronová terapie je většinou zasunuta do svojí vlastní kategorie, a právě proto se k částicvé terapii častěji referuje jako k hadronové. Hadronová terapie funguje na principu vystřelování ionizujících částic na rakovinotvorné buňky. Tyto částice poškodí vnitřní DNA buněk, což vede ve většině případů k jejich okamžité smrti. Vzhledem k částečné schopnosti regenerace rakovinotvorných buněk, ale metoda není definitivním řešením. Předminulý rok slavila San Francizská univerzita Standfort již padesát let od začátku využívání lineárních urychlovačů v boji s nádory. Její lékařský urychlovač nebyl sice úplně první, protože jej o tři roky předběhla Evropa, konkrétně Anglie. Přesto je to ten, který rozhodující měrou přispěl k obrovskému využití těchto zařízení. Elektrony urychlené tímto urychlovačem produkovaly rentgenové záření, které mohlo být velmi přesně zacílené a jen to umožnilo zlikvidovat nádor zasahující zbývající funkční oko dvouletého chlapce, bez toho, aby byla poškozena jeho funkčnost. To umožnilo v roce 1956 zachránit zrak u tohoto prvního pacienta. Dnes jsou tyto urychlovače velice flexibilní zařízení umožňující využití několika energií rentgenového záření i elektronů a nastavení nejvhodnějšího režimu ozařování pro daný nádor. Umožňují velmi přesné zacílení svazku a průběžné korekce na pohyb těch pacientových orgánů, které nelze fixovat. Odhaduje se, že počet pacientů léčených těmito zařízeními se za celou dobu jejich využívání blíží ke stovce milionů a v současnosti jejich počet představuje zhruba polovinu celkově ozařovaných pacientů.

20



Betatron byl poprvé léčebně použit v roce 1948. Jde o zařízení urychlující elektrony na kruhové dráze. Mezi dvěma póly elektromagnetu je umístěna vzduchoprázdná trubice ze skla nebo porcelánu (urychlovací komora). Do ní se tangenciálně v přesných časových intervalech vystřelují elektrony z katodové trubice, tzv. injektoru. Tím, že se rychle letící elektrony dostávají do magnetického pole, zakřivuje se jejich dráha a pokračují po kruhové dráze, na niž se pak soustavně urychlují. V evakuované urychlovací trubici nenarážejí na žádný odpor a jejich rychlost se dokonce blíží rychlosti světla. Poté se magnetické a elektrické pole oslabuje, elektrony se začnou pohybovat po spirále směrem vně, kde buď vyletují (terapie rychlými elektrony), nebo dopadají na wolframový terčík, na kterém vzniká zabržděním rychlých elektronů velmi tvrdé brzdné rentgenové záření, dosahující energie až desítek MeV. A teď už ke slíbenému využití urychlovačů urychlujících těžší částice než elektrony. V tomto případě se ozařování provádí pomocí těžkých nabitých částic, patřících mezi hadrony. Tyto částice jsou urychleny na velmi vysoké rychlosti (energie). Nejčastěji se využívají protony. V čem spočívá výhoda použití těchto částic? Je dána způsobem jakým různé částice interagují s hmotou. Lehké částice foton nebo elektron mohou předat při srážce s elektronem v obalu atomu velmi velkou část své energie nebo úplně změnit směr svého letu. Foton při fotoefektu veškerou a při comptonovském rozptylu část, elektron při coulombovském rozptylu část. Naopak těžké hadrony, jako je třeba proton, předávají při takových srážkách jen velmi malou část energie a jejich směr letu se mění jen minimálně. Je to dáno čistě zákony zachování energie a hybnosti, tedy kinematikou srážky. Jestliže srážíme v kulečníku stejně těžké koule, předávají si i velmi velkou část energie a mohou i drasticky změnit svoji dráhu. Jestliže bychom vzali velmi těžkou kouli, měnila by při srážce s lehkými koulemi svoji dráhu minimálně. Hadrony tak při průchodu tkání ztrácejí energii postupně a pokud mají stejnou kinetickou energii, tak všechny doletí do zhruba stejného místa.

21



5 Závěr Cílem mé práce bylo popsat podle mého hodnocení nejdůležitější mladé fyzikální poznatky tohoto a minulého století. Dle mého názoru se mi povedlo vytvořit přehled nejznámějších z nich. Dále jsem čtenáře seznámil s historií objevů, vytvořil přehled využití těchto fyzikálních jevů při použití v praktickém životě, popsal výhody a nevýhody, které aplikace jednotlivých jevů přináší a předložil své domněnky o jejich možném využití v budoucnosti. Pro mě osobně bylo jedním z hlavních cílů vypracování této práce získání nových informací o moderních i budoucích technologiích a jejich vnitřních funkcích, a přestože jsem ze svých zdrojů nezjistil vše co jsem měl původně v plánu, v závěru jsem se svými poznatky poměrně spokojený.

22



6 Prameny 6. 1 Knižní RUBINSTEIN, Ariel. Objevy moderní fyziky (1. díl). Olomouc: Votobia, 2003. Objevy moderní fyziky, sv. 1. ISBN: (chybí)

BUHKRE, Thomas. Převratné objevy fyziky, od Galileiho k Lise Meitnerové. Praha: Academia, 2001. ISBN: 8020007431

KRAUS, Ivo. Století fyzikálních objevů. Praha: Academia, 2014. ISBN: 9788020023735

6. 2 Internetové https://www.youtube.com/watch?v=byf3fbvkzZY

https://www.youtube.com/watch?v=_Ja59uLKVqI

https://www.youtube.com/watch?v=RiQU5xyuq_A

23

2015. Poznatky moderní fyziky a jejich využití

Recommend Documents