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Accélérateur linéaire de particules
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ACTIVITÉ D'EXPLORATION


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Accélérateur linéaire de particules





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

Création d’un champ électrique

Doc. 2
Travail de la force

Une particule de charge qq dans un champ électrique E\overrightarrow{E} subit une force électrique Fe\overrightarrow{F}_\mathrm{e} égale à :
Fe=q E\overrightarrow{F}_{\mathrm{e}}=q \ · \overrightarrow{E}

Le travail de la force électrique WAB(Fe)W_\mathrm{A B}\left(\overrightarrow{F}_\mathrm{e}\right), exprimé en joule (J\text{J}), correspond à :
WAB(Fe)=Fe AB=q UABW_\mathrm{A B}\left(\overrightarrow{F}_\mathrm{e}\right)=\overrightarrow{F}_\mathrm{e}\ · \overrightarrow{\mathrm{A B}}=q \ · U_\mathrm{A B}

AB\mathrm{AB} : distance entre les plaques (m)
qq : charge électrique de la particule (C)
UABU_\mathrm{A B} : 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\overrightarrow{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.

Schéma du Linac de Widerøe

Données

  • Masse d’un ion potassium K+\text{K}^+ : m=6,5×1026m=6,5 \times 10^{-26} kg
  • Conversion d’unité : 1 eV=1,60×10191\ \mathrm{eV}=1,60 \times 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 qq peut être accélérée par un champ électrique E\overrightarrow{E}.


2. Selon le doc. 3 (⇧), déterminer la vitesse vv finale d’un ion potassium K+\text{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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