带电粒子在电场和磁场中运动的应用

带电粒子在电场和磁场中运动的应用第1页，共15页，2023年，2月20日，星期一J.J.Thomson在剑桥卡文迪许实验室从事X射线和稀薄气体放电的研究工作时，通过电场和磁场对阴极射线的作用，得出了这种射线不是以太波而是物质的质粒的结论，测出这些质粒的荷质比(电荷与质量之比），发现了电子。一、荷质比的测定荷质比是1897年J.J.Thomson测定的，虽然当时已有大西洋电缆，但对什么是电尚不清楚，有人认为电是以太的活动。第2页，共15页，2023年，2月20日，星期一实验装置图在电子经过路径上施加相互垂直的电场与磁场，利用带电粒子在电场与磁场的作用下发生偏转测出电子的荷质比。实验原理第3页，共15页，2023年，2月20日，星期一实验过程(1)电子受磁力和电力平衡，在显示屏上不发生偏转，从而测出电子流速度。（2）去掉电场，电子流只在磁场作用下偏转。荷质比由荧光屏上的光点位置确定第4页，共15页，2023年，2月20日，星期一讨论:1、第一次发现了电子，是具有开创性的实验发现该荷质比约比氢离子荷质比大1000倍说明带电质粒是比原子更小的质粒，后来这种质粒被称为电子。用不同的金属做实验做出来比值一样2、1909年，Milikan测电荷，发现各种各样的电荷总是某一个值的整数倍——发现电子量子化3、1904年Kaufmann发现荷质比随速度变化，那么究竟是荷还是质随速度变化？

第5页，共15页，2023年，2月20日，星期一电荷随速度变化吗？对电中性物质加热，电子速度的变化没有破坏电中性，电荷不随速度变化。应该是质量随速度变化荷质比测量的意义1、电子是第一个被发现的基本粒子2、搞清楚什么是电3、发现了速度效应，提供狭义相对论的重要实验基础电荷变化还是质量变化？第6页，共15页，2023年，2月20日，星期一二、霍耳效应霍尔电势差的经验公式为：RH与材料的性质及环境温度有关经典霍耳效应是1879年德国物理学家Hall发现的第7页，共15页，2023年，2月20日，星期一霍尔效应的原因：是由于磁场对导体（半导体）内的运动电荷的洛伦兹力作用所引起的效应。正、负电荷在导体两侧的积累形成附加电场，当运动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时I++++

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+-----第8页，共15页，2023年，2月20日，星期一得霍耳系数霍耳电压设带电粒子的浓度为n，则电流为：与霍尔电势差的经验公式比较取决于载流子浓度和带电的正、负，可正、可负。第9页，共15页，2023年，2月20日，星期一霍耳效应的应用2）测量磁场霍耳电压1）判断半导体的类型正、负取决于载流子的正负q>0,UH>0,P型半导体q<0,UH<0,N型半导体从霍尔系数的测量值的正、负可以判断导体载流子的荷电性质第10页，共15页，2023年，2月20日，星期一三、回旋加速器劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动的基本原理，1932年制造了世界第一台带电粒子回旋加速器。此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.电粒子回旋加速器的制造标志着人类可以利用加速器实现高能粒子、粒子之间的方向，打开了神秘的粒子物理学的大门。第11页，共15页，2023年，2月20日，星期一回旋加速器原理图两个半圆形的D形金属盒，放置在垂直于D形金属盒面的磁场中，在两个D形金属盒的间隙中施加加速粒子的交变电场。金属盒的电场屏蔽效应使得D形金属盒内部不受外电场的干扰，因此在其中运动的带电粒子仅收到磁场的作用。NSBO~第12页，共15页，2023年，2月20日，星期一回旋共振频率与粒子的速度与半径无关电场的变化频率等于带电粒子的回旋共振频率。确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子回旋。加速的带电粒子在D形金属盒作圆周运动，出射的最大速率为出射粒子的最大动能为第13页，共15页，2023年，2月20日，星期一我国于1994年建成的第一台强流质子加速器，可产生数十种中短寿命放射性同位素.第14页，共15页，2023年，2月20日，星期一随着粒子加速能