带电粒子在电场磁场中的运动.ppt

13 5带电粒子在电场和磁场中的运动 一 带电粒子在电场和磁场中所受的力 电场力 磁场力 洛仑兹力的方向垂直于运动电荷的速度和磁感应强度所组成的平面 且符合右手螺旋定则 带电粒子在电场和磁场中所受的力 洛仑兹 HendrikAntoonLorentz 1853 1928 1895年 洛仑兹根据物质电结构的假说 创立了经典电子论 洛仑兹的电磁场理论研究成果 在现代物理中占有重要地位 洛仑兹力是洛仑兹在研究电子在磁场中所受的力的实验中确立起来的 洛仑兹还预言了正常的塞曼效益 即磁场中的光源所发出的各谱线 受磁场的影响而分裂成多条的现象中的某种特殊现象 洛仑兹的理论是从经典物理到相对论物理的重要桥梁 他的理论构成了相对论的重要基础 洛仑兹对统计物理学也有贡献 荷兰物理学家 数学家 因研究磁场对辐射现象的影响取得重要成果 与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金 二 带电粒子在磁场中的运动举例 1 回旋半径和回旋频率 带电粒子垂直于磁场的方向进入磁场 洛仑兹力的大小为 方向 与速度的方向和磁场的方向垂直 回旋半径 回旋周期 回旋频率 回旋频率与粒子的速率无关 回旋半径与速率有关 圆周运动 2 电子的反粒子电子偶 正电子 1930年英国物理学家狄拉克从理论上预言了正电子的存在 1932年 美国物理学家安德森在分析宇宙射线穿过位于云雾室的铅块后的带电粒子的照片时 发现了正电子 原理 在高能粒子物理中 常用带电粒子在云雾室中的轨迹来观察和区分粒子的性质 电子偶 理论和实验都表明 正电子总是伴随着电子一起出现的 犹如成对成双的配偶 故称之为电子 正电子偶 简称电子偶或电子对 3 磁聚焦 速度与磁场有一个夹角 把速度分解成平行于磁场的分量与垂直于磁场的分量 在平行于磁场的方向 F 0 作匀速直线运动 在垂直于磁场的方向 F qvBsin 匀速圆周运动故带电粒子同时参与两个运动 结果粒子作螺旋线向前运动 轨迹是螺旋线 回旋半径 回旋周期 螺距 粒子回转一周所前进的距离 磁聚焦在电子光学中有着广泛的应用 螺距d与v 无关 只与v 成正比 若各粒子的v 相同 则其螺距是相同的 每转一周粒子都相交于一点 利用这个原理 可实现磁聚焦 带电粒子在非均匀磁场中的运动 一个带电粒子进入轴对称会聚磁场 由于磁场的不均匀 洛仑兹力的大小要变化 所以不是匀速圆周运动 且半径逐渐变小 使沿磁场的运动被抑 而被迫反转 象被 反射 回来一样 这称之为磁镜 带电粒子进入轴对称的会聚磁场 它便被约束在一根磁力线附近的很小范围内 它只有纵向沿磁力线的运动 而无横向跨越 或说在横向输运过程中它受到很大的限制 应用 磁约束 结论 用于受控热核反应中 地磁场 两极强 中间弱 能够捕获来自宇宙射线的的带电粒子 在两极之间来回振荡 1958年 探索者一号卫星在外层空间发现被磁场俘获的来自宇宙射线和太阳风的质子层和电子层 称之为VanAllen辐射带 三 带电粒子在电场和磁场中的运动举例 1 电子比荷 e m 的测定 引言 电子的电量和质量是电子基本属性 因此对电子的电量 质量和两者的比值 即比荷 的测定有重要的意义 1897年J J Thomson在卡文迪许实验室测量电子比荷 为此1906年获Nobel物理奖 实验装置 原理加速电子经过电场与磁场区域发生偏转 y 结论对于速度不太大的电子 现代测定值为 带电粒子在磁场中的运动 2 质谱仪 引言 质谱仪是用物理方法分析同位素的仪器 由英国物理学家与化学家阿斯顿于1919年创造 当年发现了氯与汞的同位素 以后几年又发现了许多同位素 特别是一些非放射性的同位素 为此 阿斯顿于1922年获诺贝尔化学奖 原理图 速度选择器 从离子源出来的离子经过S1 S2加速进入电场和磁场空间 若粒子带正电荷 q 则电荷所受的力有 洛仑兹力 qvB电场力 qE 若粒子能进入下面的磁场qvB qE 滤速器 若每个离子所带电量相等 由谱线的位置可以确定同位素的质量 由感光片上谱线的黑度 可以确定同位素的相对含量 质谱分析 质量为m 电量为q的带电粒子经过滤速器后 飞入磁场B 中做圆周运动 落在感光片A处 其半径R为 锗的质谱 3 回旋加速器 第一台加速器是美国物理学家劳伦斯于1934年研制成功的 为此劳伦斯于1939年获诺贝尔物理学奖 结构 密封在真空中的两个金属盒 D1和D2 放在电磁铁两极间的强大磁场中 如图所示两盒之间有一窄缝 中心附近放有离子源 两盒间接有交流电源 它在缝隙里的交变电场用以加速带电粒子 目的 用来获得高能带电粒子 去轰击原子核或其它粒子 观察其中的反应 从而研究原子核或其它粒子的性质 原理 使带电粒子在电场与磁场作用下 得以往复加速达到高能 交变电场的周期恰好为回旋一周的周期时即粒子绕过半圈恰好电场反向 粒子又被加速 因为回旋周期与半径无关 所以可被反复加速 至用致偏电极将其引出 回旋频率 当粒子到达半圆边缘时 粒子的速率为 R0为盒的最大半径 粒子动能 从原理上说 要增大粒子的能量 可以从增大电磁铁的截面 即增大半圆盒的面积 着手 但实际上这里很困难的 兰州重离子加速器 北京正负电子对撞机 合肥同步辐射加速器 我国最大的三个加速器 4 霍耳效应 1879年霍耳发现把一载流导体放在磁场中 如果磁场方向与电流方向垂直 则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差 这一现象称之为霍耳效应 相应的电势差称为霍耳电压 现象 实验规律 在磁场不太强时 霍耳电压与电流I和磁感应强度B成正比 而与导电板的厚度d成反比 即 霍耳效应的经典解释 以载流子是负电荷为例 其定向漂移速度为vd与电流反向 磁场中的洛仑兹力使载流子运动 上形成霍耳电场 霍耳电场力与洛仑兹力平衡时电子的漂移达到动态平衡 从而形成横向电势差 平衡时 霍耳系数 霍耳效应的应用 因为半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度且容易受温度 杂质的影响 所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一 判定载流子类型测量载流子浓度测量磁感应强度测量交直流电路中的电流和功率 1980年 德国物理学家克利青在研究低温和强磁场下半导体的霍耳效应时 发现UH B的曲线出现台阶 而不为线性关系 这就是量子霍耳效应 为此克利青于1985年获得诺贝尔物理学奖 后来又发现了分数量子霍耳效应 分数量子霍耳效应与