带电粒子在电场和磁场中运动的应用.ppt

带电粒子在电场和磁场中运动的应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望J.J.Thomson在剑桥卡文迪许实验室从事在剑桥卡文迪许实验室从事X射线和稀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的质粒的结论，测出这些质粒的荷质比(电荷与质量电荷与质量之比），发现了电子。之比），发现了电子。一、荷质比的测定 荷质比是荷质比是18971897年年J.J.Thomson J.J.Thomson 测定的，虽然测定的，虽然当时已有大西洋电缆，但对什么是电尚不清楚，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。有人认为电是以太的活动。实验装置图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，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。出电子的荷质比。实验原理实验原理实验过程实验过程(1)电子受磁力和电力平衡，在显示屏上不发生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。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。去掉电场，电子流只在磁场作用下偏转。荷质比荷质比由荧光屏上的由荧光屏上的光点位置确定光点位置确定讨论1 1、第一次发现了电子，是具有开创性的实验、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发现该荷质比约比氢离子荷质比大10001000倍倍说说明明带带电电质质粒粒是是比比原原子子更更小小的的质质粒粒，后后来来这这种种质质粒粒被称为电子。被称为电子。用不同的金属做实验做出来比值一样用不同的金属做实验做出来比值一样2 2、1909年年，Milikan测测电电荷荷，发发现现各各种种各各样样的的电电荷荷总总是是某一个值的整数倍某一个值的整数倍发现电子量子化发现电子量子化3 3、1904年年Kaufmann发现荷质比随速度变化，那么究竟发现荷质比随速度变化，那么究竟是荷还是质随速度变化？是荷还是质随速度变化？荷变还是质变？电荷随速度变化吗？对电中性物质加热，电子电荷随速度变化吗？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。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应该是质量随速度变化 荷质比测量的意义荷质比测量的意义1 1、电子是第一个被发现的基本粒子、电子是第一个被发现的基本粒子 2 2、搞清楚什么是电、搞清楚什么是电 3 3、发现了速度效应，提供狭义相对论的重要实验基、发现了速度效应，提供狭义相对论的重要实验基础础二、霍耳效应二、霍耳效应霍尔电势差的经验公式为：霍尔电势差的经验公式为：RH与材料的性与材料的性质及环境温度质及环境温度有关有关经典霍耳效应是经典霍耳效应是1879年德国物理学家年德国物理学家Hall发现的发现的 霍尔效应的原因：是由于磁场对导体（半导体）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。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运动电荷所受到电场力与洛仑兹力相等时I+-得得霍耳系数霍耳系数霍耳电压霍耳电压设带电粒子的浓度为设带电粒子的浓度为n，则电流为：，则电流为：与霍尔电势差的经验公式与霍尔电势差的经验公式 比较比较取决于载流子浓度和带电取决于载流子浓度和带电的正、负，可正、可负。的正、负，可正、可负。霍耳效应的应用霍耳效应的应用2 2）测量磁场测量磁场霍耳电压霍耳电压1 1）判断半导体的类型判断半导体的类型正、负取决于载流子的正负正、负取决于载流子的正负q0,UH0,P型半导体型半导体q0,UH0,N型半导体型半导体从霍尔系数的测量值的正、负可以判断导体载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流子的荷电性质 三、回旋加速器三、回旋加速器劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动的基劳伦斯利用带电粒子在电、磁场中运动的基本原理，本原理，1932年制造了世界第一台带电粒子回旋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加速器。此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的的能量，为此能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖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。了神秘的粒子物理学的大门。回旋加速器原理图回旋加速器原理图NSBO两个半圆形的两个半圆形的D形金属形金属盒，放置在垂直于盒，放置在垂直于D形形金属盒面的磁场中，金属盒面的磁场中，在两个在两个D形金属盒的间形金属盒的间隙中施加加速粒子的隙中施加加速粒子的交变电场。交变电场。金属盒的电场屏蔽效应使得金属盒的电场屏蔽效应使得D形金属盒内部不受外电场形金属盒内部不受外电场的干扰，因此在其中运动的的干扰，因此在其中运动的带电粒子仅收到磁场的作用。带电粒子仅收到磁场的作用。回旋共振频率与粒子的回旋共振频率与粒子的速度与半径无关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、均匀磁场使粒子率。确保交变电场使粒子加速、均匀磁场使粒子回旋。回旋。加速的带电粒子在加速的带电粒子在D形金属盒作圆周运动，形金属盒作圆周运动，出射的最大速率为出射的最大速率为出射粒子的最大动能为出射粒子的最大动能为 我国于我国于19941994年建成的第一年建成的第一台强流质子加台强流质子加速器，可产生速器，可产生数十种中短寿数十种中短寿命放射性同位命放射性同位素素.随着粒子加速能量的提高，使得粒子的速度随着粒子加速能量的提高，使得粒子的速度非常大，此时需要考虑相对论效应：非常大，此时需要考虑相对论效应：此时带电粒子的回旋周期：此时带电粒子的回旋周期：与粒子速率相关，回旋加速器不可能把粒子加速与粒子速率相关，回旋加速器不可能把粒子加速到很高的速率到很高的速率