對撞機的工作原理：高中物理中的洛倫茨力

對撞機的工作原理：高中物理中的洛倫茨力

物理學的發展，一個重要的方面，就是實驗物理。由實驗，找尋實驗背後的數學機制，可以說就是物理。

對撞機對於粒子物理的研究是至關重要的，因為來自宇宙的射線，粒子很少。

沃爾夫和他的驗電器

驗電器，將同種電荷送到兩個金屬薄片，因為同種電荷互相排斥，受電的驗電器的金屬薄片，會張開一個交角。將驗電器，由氣球送到高空，可以看見其呈交角，由此證明宇宙射線的存在。據說，Hess就是這麼做而獲得諾貝爾獎的。

運用電場，直線加速電子和質子

直線型加速器，就是一個平行班電容，兩頭充正負電。帶點粒子進入這個電場，就會被加速。正電荷被負極吸引，負電荷被正極吸引。

直線加速器的缺點就是，它比較難造得很大，因為要很大的電場，就需要很長的“電容”。

於此相比，環形加速器的優勢就得以體現。因為它用到了電場和磁場。它的原理其實並不複雜，高中物理的洛倫茨力就是解決加速問題的關鍵所在。

迴旋加速器原理圖

迴旋加速器，分為兩個半圓的磁場，磁場中間則加有電場。帶電粒子經磁場偏轉，其實是半圓的軌跡，然後經電場加速，再進入磁場，再發生半圓偏轉，再加速。因為洛倫茨力就是使帶電粒子進行圓周運動的，這樣粒子速度逐漸增加，磁場使其偏轉的半徑也不斷增加，最後由極限位置，磁場邊緣射出，致靶粒子。

對撞機示意圖

同步加速器，它的原理也是運用磁場和電場。只是磁場被安排在磁鐵中，在磁鐵間加有電場。使得，粒子都在管道束內，被加速。

迴旋加速器是種平面結構，磁場垂直。同步加速器，是種立體結構，粒子在管道內加速。

斯坦福的加速器

舊金山附近的斯坦福，SLAC，對撞機，就是兩根管道，讓粒子對射。

TESLA 的直線加速器

德國的TESLA，是兩個直線加速器。每個長度為15公里。

因為粒子轟擊實驗需要的能量很大，所以這些加速器就不得不建造得越來越大。