Les accélérateurs de particules sont utilisés dans différents domaines,
notamment le domaine médical, mais également en physique subatomique
pour étudier la composition des particules.
➜ Comment peut‑on augmenter l’énergie cinétique d’une particule chargée ?
Objectif
Décrire le principe d’un
accélérateur linéaire.
Exploiter la conservation de l’énergie mécanique ou le théorème de l’énergie cinétique.
Doc. 1
Création d’un champ électrique
Doc. 2
Travail de la force
Une particule de charge q dans un champ électrique E
subit une force électrique Fe égale à :
Fe=q⋅E
Le travail de la force électrique WAB(Fe), exprimé en
joule (J), correspond à :
WAB(Fe)=Fe⋅AB=q⋅UAB
AB : distance entre les plaques (m)
q : charge électrique de la particule (C)
UAB : tension entre les plaques (V)
Doc. 3
Principe d’un accélérateur linéaire
Un accélérateur linéaire de particules est un appareil
permettant de communiquer de l’énergie cinétique à
une particule chargée.
En 1928, Rolf Widerøe fut l’un des premiers à
construire un tel accélérateur, afin de communiquer
à des ions potassium K+ une énergie cinétique de 50
eV. Son accélérateur était constitué d’une source S et
d’une succession de tubes sous vide séparés par des
interstices.
Les sections de deux cylindres adjacents présentent des
charges de signes opposés : un champ électrique E règne donc dans ces interstices. À l’intérieur des tubes,
le champ électrique est nul, les particules s’y déplacent
à vitesse constante.
La tension du générateur étant alternative, les sections
des cylindres voient le signe de leur charge changer
après chaque passage de particule.
Doc. 4
Schéma du Linac de Widerøe
Le schéma ci-dessous décrit l’un des deux états
possibles de l’accélérateur, pour une particule se
trouvant entre la source, chargée positivement, et le
premier tube, chargé négativement.
Données
Masse d’un ion potassium K+ : m=6,5×10−26 kg
Conversion d’unité : 1eV=1,60×10−19 J
Compétences
✔APP : Extraire
l’information utile
✔VAL : Faire un schéma
Questions
1. En utilisant le théorème de l’énergie cinétique, expliquer à quelle condition une
particule de charge q peut être accélérée par un champ électrique E.
2. Selon le doc. 3(⇧), déterminer la vitesse v finale d’un ion potassium K+ à la sortie de
l’accélérateur.
3. Reproduire le schéma du doc. 4(⇧) et faire les modifications nécessaires pour qu’il corresponde à l’autre alternance de la tension. Justifier cette alternance.
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Synthèse de l'activité
Lister les éléments essentiels d’un accélérateur linéaire de particules.
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