Icon up Overzicht

Surfen voor elektronen

Onderwerp: Licht, Optica (licht en lenzen) (havo), Trilling en golf

Dit artikel gaat over wakeboarden. Bij het CERN in Geneve zitten enorme ringen in de grond om deeltjes te kunnen versnellen tot enorme energieën. Tijdens botsingen van deze deeltjes komen dan heel even de bouwstenen achter protonen, neutronen en al die andere deeltjes te voorschijn. Zo’n ring is natuurlijk een enorm duur en arbeidsintensief project van jaren, maar daarmee kan je wel die bouwstenen onderzoeken. Maar het lijkt erop dat het ook anders kan: Door met een laser een plasmagolf te creëren kunnen elektronen versneld worden tot snelheden die de enorme ringen van CERN ook halen maar de afstand is aanzienlijk kleiner, het plasmakanaal is maar enkele centimeters lang! Wakeboarden dus.

 

Over plasma

Ongeveer 99% van alle materie in het heelal is in een plasma toestand. Dat wil zeggen dat één of meer elektronen van een atoom gestript zijn van de kern, zodat er losse ionen en elektronen overblijven. Samen vormen die een plasma. Hoewel dit in het heelal heel veel voorkomt, is het op aarde redelijk bijzonder. Een alledaags voorbeeld van een plasma is bijvoorbeeld vuur of de bliksem. In zo’n plasma kunnen onder bepaalde omstandigheden golven ontstaan, net als in water. De afzonderlijke elektronen in het plasma kunnen voorgesteld worden als massa’s aan een veer.

De afzonderlijke elektronen in het plasma kunnen voorgesteld worden als massa’s aan een veer. Als je langs deze rij loopt en de massa’s bij het passeren allemaal een tik geeft, zodat ze gaan trillen, ontstaat een lopende golf die zich voortplant met de snelheid van jou, de loper.


Bestudeer bovenstaande animatie beter door hier te klikken.

Het is daarmee in principe mogelijk om de snelheid van deze lopende golf zelf te kiezen door iedere massa op de juiste manier en op het juiste moment aan te tikken. Deze tikken hoeven niet met een stok te worden gegeven, dit kan ook met een laserpuls. Als deze tikken uitgedeeld worden door die puls in plaats van iemand met een stok, zal de golf zich daardoor met de snelheid van die puls gaan bewegen: de lichtsnelheid dus!


De lichtsnelheid is de snelheid waarmee het licht en andere elektromagnetische straling zich voortplant. In vacuüm heeft de waarde van 299.792.458 m/s. In natuurkundige formules wordt de lichtsnelheid meestal weergegeven met de letter c zoals in E=mc².

Golven

Net als een boot door water veroorzaakt zo’n laserpuls golven in een plasma. Vlak achter die laserpuls vormt zich een hekgolf, net als er bijvoorbeeld achter een speedboat bij hogere snelheid een hekgolf ontstaat waarop wakeboarders sprongen kunnen maken.

 

Op dit principe is dan ook de versnelling gebaseerd. Door een heel korte laserpuls met een hoop energie te bundelen in een plasma, ontstaat een golf in het plasma zoals die achter een speedboat die daar op hoge snelheid doorheen gaat. Op de hekgolf (wat in het Engels wakefield is, vandaar ook wakeboarden) van deze golf in het plasma, is het elektrische veld dusdanig dat het mogelijk wordt om elektronen te plaatsen, en die mee te laten bewegen met de hekgolf. De elektronen moeten, net als een surfer op een golf, op precies de juiste plek op de golf zitten om de maximale afstand met die golf mee te reizen. Ze kunnen bovendien versneld worden door van de top van de golf af te dalen.

Moeilijk experiment

Het voor elkaar krijgen van versnelling van elektronen is theoretisch goed te berekenen, maar in praktijk komt er een hoop bij kijken. Om de pluk elektronen op de juiste plek te krijgen, moeten deze eerst een beetje versneld worden met een lineaire versneller. Er zijn bijvoorbeeld energie eisen aan zo'n pluk elektronen; ze mogen niet te veel uit elkaar zitten qua energie en moeten allemaal de juiste richting op bewegen. En die laserpuls is niet zomaar een puls, maar één met zoveel energie dat de meeste lenzen en spiegels stuk gaan als die door de puls geraakt worden. Een aantal universiteiten wereldwijd, waaronder de Universiteit Twente en de Technische Universiteit Eindhoven zijn bezig met het realiseren van opstellingen waarmee dit principe in de praktijk aangetoond kan worden. Mocht dit allemaal succesvol blijken, dan is het misschien in de nabije toekomst mogelijk om in plaats van enorme versneller ringen een klein apparaatje te gebruiken. En daarmee wordt het maken van al die bouwstenen waaruit jij bestaat straks wellicht in ieder huishouden mogelijk!

Bronvermelding

  1. Electrons hang ten on laser wake, Nature vol. 431, september 2004
  2. MIT open course ware, plasma physics I