太原理工《大学物理》李孟春-8-7带电粒子在电场和磁场中运动的应用

1、静止电荷或运动电荷受到的电场力,运动电荷受到的磁场力（洛仑兹力）,8-7 带电粒子在电场和磁场中的运动应用,运动电荷在电场和磁场中受的力,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。,1.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

2、质比。,2.实验原理,3.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,1) 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。 2）用不同的金属做实验做出来比值一样. 3) 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 4) 1904年Kaufmann发现荷质比随速度变化，那么究竟是电荷还是质量随速度变化？,讨论,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。,荷质比

3、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.,电荷随速度变化吗？,结论：质量随速度变化.,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,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,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。,霍耳

4、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,q0,UH0,P型半导体,q0,UH0,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,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。,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。,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,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 .,随着粒子