1、帶電粒子在電場磁場中的運動第1頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三洛侖茲(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928) 1895年，洛侖茲根據物質電結構的假說，創(chuàng)立了經典電子論。洛侖茲的電磁場理論研究成果，在現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中所受的力的實驗中確立起來的。 洛侖茲還預言了正常的塞曼效益，即磁場中的光源所發(fā)出的各譜線，受磁場的影響而分裂成多條的現象中的某種特殊現象。 洛侖茲的理論是從經典物理到相對論物理的重要橋梁，他的理論構成了相對論的重要基礎。洛侖茲對統(tǒng)計物理學也有貢獻。荷蘭物理學家、數學家，因研究磁場對輻射現象

2、的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學獎金。第2頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三二、帶電粒子在磁場中的運動舉例1、回旋半徑和回旋頻率帶電粒子垂直于磁場的方向進入磁場，洛侖茲力的大小為:方向：與速度的方向和磁場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關，回旋半徑與速率有關。圓周運動+q, mR第3頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三2、電子的反粒子 電子偶正電子：1930年英國物理學家狄拉克從理論上預言了正電子的存在，1932年，美國物理學家安德森在分析宇宙射線穿過位于云霧室的鉛塊后的帶電粒子的照片時，發(fā)現了正電子。原理：

3、在高能粒子物理中，常用帶電粒子在云霧室中的軌跡來觀察和區(qū)分粒子的性質。電子偶：理論和實驗都表明，正電子總是伴隨著電子一起出現的，猶如成對成雙的配偶，故稱之為電子正電子偶，簡稱電子偶或電子對。第4頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三3、磁聚焦速度與磁場有一個夾角，把速度分解成平行于磁場的分量與垂直于磁場的分量在平行于磁場的方向： F/=0 ，作勻速直線運動；在垂直于磁場的方向： F=qvBsin，勻速圓周運動故帶電粒子同時參與兩個運動，結果粒子作螺旋線向前運動，軌跡是螺旋線。回旋半徑回旋周期螺距粒子回轉一周所前進的距離第5頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期

4、三磁聚焦在電子光學中有著廣泛的應用。hB螺距d與v無關，只與v/成正比，若各粒子的v/相同，則其螺距是相同的，每轉 一周粒子都相交于一點，利用這個原理，可實現磁聚焦。第6頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三*帶電粒子在非均勻磁場中的運動一個帶電粒子進入軸對稱會聚磁場，由于磁場的不均勻，洛侖茲力的大小要變化，所以不是勻速圓周運動。且半徑逐漸變小。使沿磁場的運動被抑，而被迫反轉。象被“反射”回來一樣。這稱之為磁鏡。帶電粒子進入軸對稱的會聚磁場，它便被約束在一根磁力線附近的很小范圍內，它只有縱向沿磁力線的運動，而無橫向跨越。或說在橫向輸運過程中它受到很大的限制。* 應用：磁約束結

5、論：用于受控熱核反應中第7頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三地磁場，兩極強，中間弱，能夠捕獲來自宇宙射線的的帶電粒子，在兩極之間來回振蕩。1958年，探索者一號衛(wèi)星在外層空間發(fā)現被磁場俘獲的來自宇宙射線和太陽風的質子層和電子層，稱之為Van Allen輻射帶。第8頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三三、帶電粒子在電場和磁場中的運動舉例1、電子比荷（e /m）的測定引言：電子的電量和質量是電子基本屬性，因此對電子的電量，質量和兩者的比值(即比荷)的測定有重要的意義。1897年J.J. Thomson在卡文迪許實驗室測量電子比荷，為此1906年獲Nobel

6、物理獎。實驗裝置原理加速電子經過電場與磁場區(qū)域發(fā)生偏轉y結論對于速度不太大的電子，現代測定值為帶電粒子在磁場中的運動第9頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三2、質譜儀引言：質譜儀是用物理方法分析同位素的儀器，由英國物理學家與化學家阿斯頓于1919年創(chuàng)造，當年發(fā)現了氯與汞的同位素，以后幾年又發(fā)現了許多同位素，特別是一些非放射性的同位素，為此，阿斯頓于1922年獲諾貝爾化學獎。原理圖速度選擇器+從離子源出來的離子經過S1、S2加速進入電場和磁場空間，若粒子帶正電荷+q，則電荷所受的力有：洛侖茲力：qvB電場力 ： qE若粒子能進入下面的磁場qvB=qE濾速器第10頁，共20頁，

7、2022年，5月20日，5點10分，星期三 若每個離子所帶電量相等，由譜線的位置可以確定同位素的質量。由感光片上譜線的黑度，可以確定同位素的相對含量。質譜分析：質量為m，電量為q的帶電粒子 經過濾速器后，飛入磁場B中做圓周運動，落在感光片 A 處，其半徑R為：+鍺的質譜第11頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三3、 回旋加速器第一臺加速器是美國物理學家勞倫斯于1934年研制成功的，為此勞倫斯于1939年獲諾貝爾物理學獎。第12頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三結構：密封在真空中的兩個金屬盒（D1和D2）放在電磁鐵兩極間的強大磁場中，如圖所示兩盒之間有一

8、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用以加速帶電粒子。目的：用來獲得高能帶電粒子，去轟擊原子核或其它粒子，觀察其中的反應，從而研究原子核或其它粒子的性質。原理：使帶電粒子在電場與磁場作用下，得以往復加速達到高能。第13頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三交變電場的周期恰好為回旋一周的周期時即粒子繞過半圈恰好電場反向，粒子又被加速。因為回旋周期與半徑無關，所以可被反復加速，至用致偏電極將其引出。回旋頻率當粒子到達半圓邊緣時，粒子的速率為（ R0為盒的最大半徑）粒子動能從原理上說，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，

9、但實際上這里很困難的。第14頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三蘭州重離子加速器北京正負電子對撞機合肥同步輻射加速器我國最大的三個加速器第15頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三4、霍耳效應1879年霍耳發(fā)現把一載流導體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現橫向電勢差，這一現象稱之為霍耳效應。相應的電勢差稱為霍耳電壓。現象實驗規(guī)律在磁場不太強時，霍耳電壓與電流I和磁感應強度B成正比，而與導電板的厚度d 成反比，即I+_+- - - - -EBbddbuHI第16頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三

10、霍耳效應的經典解釋+ + + +I + + +I第17頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三以載流子是負電荷為例，其定向漂移速度為vd與電流反向，磁場中的洛侖茲力使載流子運動，上形成霍耳電場。霍耳電場力與洛侖茲力平衡時電子的漂移達到動態(tài)平衡，從而形成橫向電勢差。平衡時霍耳系數 + + +I第18頁，共20頁，2022年，5月20日，5點10分，星期三霍耳效應的應用因為半導體的載流子濃度小于金屬電子的濃度且容易受溫度、雜質的影響，所以霍耳系數是研究半導體的重要方法之一。判定載流子類型測量載流子濃度測量磁感應強度測量交直流電路中的電流和功率。1980年，德國物理學家克利青在研究低溫和強磁場下半導體的霍耳效應時，發(fā)現UHB的曲線出現臺階，而不為線性關系。這就是量子霍耳效應。為此克利青于1985年獲得諾貝爾物理學獎。后來又發(fā)現了分數量子霍耳效應。分數量子霍耳效應與分數電荷的存在與否有關。優(yōu)點是無機械損耗，可以提高效率，但目前尚存在技術問題有待解決。第19頁