Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 11362
2019-11-13 
В начале текущего столетия было обнаружено, что из окружающего нас межзвездного пространства на земную поверхность непрерывно обрушивается поток -космических лучей - быстрых протонов и $\alpha$-частиц. Их энергия достигает колоссальных (конечно, с точки зрения микромира) значений, $10^{19} эв$, тогда как в наиболее совершенных современных ускорителях заряженные частицы разгоняются до энергий порядка $10^{10} эв$. Для ответа на вопросы, откуда приходят к нам космические лучи и каким образом частицы в них ускоряются до столь высоких энергий, знаменитый итальянский физик Энрико Ферми (1901 -1951 гг.) выдвинул следующую гипотезу, считающуюся в настоящее время наиболее вероятной.
Астрофизические наблюдения свидетельствуют о наличии во Вселенной движущихся облаков межзвездного газа и связанных с ними магнитных полей, рожденных движением зарядов в облаках. По гипотезе Ферми встреча космических частиц с блуждающими магнитными полями и приводит к ускорению частиц.
Однако мы знаем, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд (так называемая сила Лоренца), направлена перпендикулярно вектору скорости частицы и может изменить, следовательно, лишь направление вектора скорости, но никак не численное его значение.
Как же в таком случае гипотеза Ферми объясняет процесс ускорения?
Решение:
Рассмотрим газ, находящийся в цилиндре, запертом поршнем. Пока поршень неподвижен, средняя скорость молекул газа $v$ остается постоянной, если, конечно, к газу не подводится тепло, так как соударения молекул со стенками цилиндра и поршнем носят упругий характер, и скорости остаются после соударения прежними.
Однако если поршень вдвигается в цилиндр с некоторой постоянной скоростью и, то молекулы, ударяющиеся о поршень, будут обладать относительно него скоростью $v + u$. С такой же скоростью относительно поршня они отразятся. Но так как поршень движется относительно цилиндра со скоростью, и, то скорость молекул относительно цилиндра после отражения окажется равной $u + (u + v) = v + 2u$, то есть возрастет на $2u$.
Подобным же образом происходит ускорение заряженных частиц в космическом пространстве. Если протон, летящий от Земли со скоростью $v$, попадет в скопление межзвездного газа, несущее магнитное поле и движущееся со скоростью и по направлению к Земле, то после «отражения» магнитным полем (см. рис.) протон устремится к Земле со скоростью $v + 2u$. Правда, протон может попасть в магнитное поле, вектор скорости которого направлен от Земли, и замедлить свое движение, но точный расчет показывает, что движущиеся частицы встречают в единицу времени ускоряющих полей больше, чем замедляющих, в результате чего эффект ускорения преобладает.
В начале текущего столетия было обнаружено, что из окружающего нас межзвездного пространства на земную поверхность непрерывно обрушивается поток -космических лучей - быстрых протонов и $\alpha$-частиц. Их энергия достигает колоссальных (конечно, с точки зрения микромира) значений, $10^{19} эв$, тогда как в наиболее совершенных современных ускорителях заряженные частицы разгоняются до энергий порядка $10^{10} эв$. Для ответа на вопросы, откуда приходят к нам космические лучи и каким образом частицы в них ускоряются до столь высоких энергий, знаменитый итальянский физик Энрико Ферми (1901 -1951 гг.) выдвинул следующую гипотезу, считающуюся в настоящее время наиболее вероятной.
Астрофизические наблюдения свидетельствуют о наличии во Вселенной движущихся облаков межзвездного газа и связанных с ними магнитных полей, рожденных движением зарядов в облаках. По гипотезе Ферми встреча космических частиц с блуждающими магнитными полями и приводит к ускорению частиц.
Однако мы знаем, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд (так называемая сила Лоренца), направлена перпендикулярно вектору скорости частицы и может изменить, следовательно, лишь направление вектора скорости, но никак не численное его значение.
Как же в таком случае гипотеза Ферми объясняет процесс ускорения?
Решение:
Рассмотрим газ, находящийся в цилиндре, запертом поршнем. Пока поршень неподвижен, средняя скорость молекул газа $v$ остается постоянной, если, конечно, к газу не подводится тепло, так как соударения молекул со стенками цилиндра и поршнем носят упругий характер, и скорости остаются после соударения прежними.
Однако если поршень вдвигается в цилиндр с некоторой постоянной скоростью и, то молекулы, ударяющиеся о поршень, будут обладать относительно него скоростью $v + u$. С такой же скоростью относительно поршня они отразятся. Но так как поршень движется относительно цилиндра со скоростью, и, то скорость молекул относительно цилиндра после отражения окажется равной $u + (u + v) = v + 2u$, то есть возрастет на $2u$.
Подобным же образом происходит ускорение заряженных частиц в космическом пространстве. Если протон, летящий от Земли со скоростью $v$, попадет в скопление межзвездного газа, несущее магнитное поле и движущееся со скоростью и по направлению к Земле, то после «отражения» магнитным полем (см. рис.) протон устремится к Земле со скоростью $v + 2u$. Правда, протон может попасть в магнитное поле, вектор скорости которого направлен от Земли, и замедлить свое движение, но точный расчет показывает, что движущиеся частицы встречают в единицу времени ускоряющих полей больше, чем замедляющих, в результате чего эффект ускорения преобладает.
