帶電粒子在電場(chǎng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

帶電粒子在電場(chǎng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第1頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一洛侖茲(HendrikAntoonLorentz,1853-1928)1895年，洛侖茲根據(jù)物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的假說(shuō)，創(chuàng)立了經(jīng)典電子論。洛侖茲的電磁場(chǎng)理論研究成果，在現(xiàn)代物理中占有重要地位。洛侖茲力是洛侖茲在研究電子在磁場(chǎng)中所受的力的實(shí)驗(yàn)中確立起來(lái)的。洛侖茲還預(yù)言了正常的塞曼效益，即磁場(chǎng)中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場(chǎng)的影響而分裂成多條的現(xiàn)象中的某種特殊現(xiàn)象。洛侖茲的理論是從經(jīng)典物理到相對(duì)論物理的重要橋梁，他的理論構(gòu)成了相對(duì)論的重要基礎(chǔ)。洛侖茲對(duì)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也有貢獻(xiàn)。荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，因研究磁場(chǎng)對(duì)輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。第2頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)舉例1、回旋半徑和回旋頻率帶電粒子垂直于磁場(chǎng)的方向進(jìn)入磁場(chǎng)，洛侖茲力的大小為:方向：與速度的方向和磁場(chǎng)的方向垂直回旋半徑回旋周期回旋頻率回旋頻率與粒子的速率無(wú)關(guān)，回旋半徑與速率有關(guān)。圓周運(yùn)動(dòng)+q,mR第3頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、電子的反粒子電子偶正電子：1930年英國(guó)物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言了正電子的存在，1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森在分析宇宙射線穿過(guò)位于云霧室的鉛塊后的帶電粒子的照片時(shí)，發(fā)現(xiàn)了正電子。原理：在高能粒子物理中，常用帶電粒子在云霧室中的軌跡來(lái)觀察和區(qū)分粒子的性質(zhì)。電子偶：理論和實(shí)驗(yàn)都表明，正電子總是伴隨著電子一起出現(xiàn)的，猶如成對(duì)成雙的配偶，故稱之為電子——正電子偶，簡(jiǎn)稱電子偶或電子對(duì)。第4頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、磁聚焦速度與磁場(chǎng)有一個(gè)夾角θ，把速度分解成平行于磁場(chǎng)的分量與垂直于磁場(chǎng)的分量在平行于磁場(chǎng)的方向：F//=0，作勻速直線運(yùn)動(dòng)；在垂直于磁場(chǎng)的方向：F⊥=qvBsinθ，勻速圓周運(yùn)動(dòng)故帶電粒子同時(shí)參與兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果粒子作螺旋線向前運(yùn)動(dòng)，軌跡是螺旋線?；匦霃交匦芷诼菥唷Ｗ踊剞D(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離第5頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磁聚焦在電子光學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。hB螺距d與v⊥無(wú)關(guān)，只與v//成正比，若各粒子的v//相同，則其螺距是相同的，每轉(zhuǎn)一周粒子都相交于一點(diǎn)，利用這個(gè)原理，可實(shí)現(xiàn)磁聚焦。第6頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一*帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一個(gè)帶電粒子進(jìn)入軸對(duì)稱會(huì)聚磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)的不均勻，洛侖茲力的大小要變化，所以不是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。且半徑逐漸變小。使沿磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)被抑，而被迫反轉(zhuǎn)。象被“反射”回來(lái)一樣。這稱之為磁鏡。帶電粒子進(jìn)入軸對(duì)稱的會(huì)聚磁場(chǎng)，它便被約束在一根磁力線附近的很小范圍內(nèi)，它只有縱向沿磁力線的運(yùn)動(dòng)，而無(wú)橫向跨越?；蛘f(shuō)在橫向輸運(yùn)過(guò)程中它受到很大的限制。*應(yīng)用：磁約束結(jié)論：用于受控?zé)岷朔磻?yīng)中第7頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地磁場(chǎng)，兩極強(qiáng)，中間弱，能夠捕獲來(lái)自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來(lái)回振蕩。1958年，探索者一號(hào)衛(wèi)星在外層空間發(fā)現(xiàn)被磁場(chǎng)俘獲的來(lái)自宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng)的質(zhì)子層和電子層，稱之為VanAllen輻射帶。第8頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)舉例1、電子比荷（e/m）的測(cè)定引言：電子的電量和質(zhì)量是電子基本屬性，因此對(duì)電子的電量，質(zhì)量和兩者的比值(即比荷)的測(cè)定有重要的意義。1897年J.J.Thomson在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室測(cè)量電子比荷，為此1906年獲Nobel物理獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)裝置原理加速電子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)y結(jié)論對(duì)于速度不太大的電子，現(xiàn)代測(cè)定值為帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第9頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、質(zhì)譜儀引言：質(zhì)譜儀是用物理方法分析同位素的儀器，由英國(guó)物理學(xué)家與化學(xué)家阿斯頓于1919年創(chuàng)造，當(dāng)年發(fā)現(xiàn)了氯與汞的同位素，以后幾年又發(fā)現(xiàn)了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓于1922年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。原理圖速度選擇器+從離子源出來(lái)的離子經(jīng)過(guò)S1、S2加速進(jìn)入電場(chǎng)和磁場(chǎng)空間，若粒子帶正電荷+q，則電荷所受的力有：洛侖茲力：qvB電場(chǎng)力：qE若粒子能進(jìn)入下面的磁場(chǎng)qvB=qE濾速器第10頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

若每個(gè)離子所帶電量相等，由譜線的位置可以確定同位素的質(zhì)量。由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對(duì)含量。質(zhì)譜分析：質(zhì)量為m，電量為q的帶電粒子經(jīng)過(guò)濾速器后，飛入磁場(chǎng)B’中做圓周運(yùn)動(dòng)，落在感光片A處，其半徑R為：+鍺的質(zhì)譜第11頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、回旋加速器第一臺(tái)加速器是美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于1934年研制成功的，為此勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第12頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)：密封在真空中的兩個(gè)金屬盒（D1和D2）放在電磁鐵兩極間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，如圖所示兩盒之間有一窄縫，中心附近放有離子源。兩盒間接有交流電源，它在縫隙里的交變電場(chǎng)用以加速帶電粒子。目的：用來(lái)獲得高能帶電粒子，去轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應(yīng)，從而研究原子核或其它粒子的性質(zhì)。原理：使帶電粒子在電場(chǎng)與磁場(chǎng)作用下，得以往復(fù)加速達(dá)到高能。第13頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一交變電場(chǎng)的周期恰好為回旋一周的周期時(shí)即粒子繞過(guò)半圈恰好電場(chǎng)反向，粒子又被加速。因?yàn)榛匦芷谂c半徑無(wú)關(guān)，所以可被反復(fù)加速，至用致偏電極將其引出?；匦l率當(dāng)粒子到達(dá)半圓邊緣時(shí)，粒子的速率為（R0為盒的最大半徑）粒子動(dòng)能從原理上說(shuō)，要增大粒子的能量，可以從增大電磁鐵的截面（即增大半圓盒的面積）著手，但實(shí)際上這里很困難的。第14頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一蘭州重離子加速器北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)合肥同步輻射加速器我國(guó)最大的三個(gè)加速器第15頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、霍耳效應(yīng)1879年霍耳發(fā)現(xiàn)把一載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，則在與磁場(chǎng)和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳效應(yīng)。相應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍耳電壓?，F(xiàn)象實(shí)驗(yàn)規(guī)律在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍耳電壓與電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，而與導(dǎo)電板的厚度d成反比，即I+++++++++++++++________++++++-----EBbddbuHI第16頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一霍耳效應(yīng)的經(jīng)典解釋+–––+++I––––+++I第17頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一以載流子是負(fù)電荷為例，其定向漂移速度為vd與電流反向，磁場(chǎng)中的洛侖茲力使載流子運(yùn)動(dòng)，上形成霍耳電場(chǎng)?；舳妶?chǎng)力與洛侖茲力平衡時(shí)電子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而形成橫向電勢(shì)差。平衡時(shí)霍耳系數(shù)––––+++I第18頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一霍耳效應(yīng)的應(yīng)用因?yàn)榘雽?dǎo)體的載流子濃度小于金屬電子的濃度且容易受溫度、雜質(zhì)的影響，所以霍耳系數(shù)是研究半導(dǎo)體的重要方法之一。判定載流子類型測(cè)量載流子濃度測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量交直流電路中的電流和功率。1980年，德國(guó)物理學(xué)家克利青在研究低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體的霍耳效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)UH~B的曲線出現(xiàn)臺(tái)階，而不為線性關(guān)系。這就是量子霍耳效應(yīng)。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)。分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)與分?jǐn)?shù)電荷的存在與否有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械損耗，可以提高效率，但目前尚存在技術(shù)問(wèn)題有待解決。第19頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日