東華大學(xué)物理8-5

1、上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 如果你在中緯度如果你在中緯度到高緯度地區(qū)室外的到高緯度地區(qū)室外的黑夜里你就可能會(huì)看黑夜里你就可能會(huì)看到到極光極光從天空下從天空下垂的，變幻的光幕，垂的，變幻的光幕，這幅幕不只是局部的，這幅幕不只是局部的，它可能幾百米高且?guī)姿赡軒装倜赘咔規(guī)浊组L(zhǎng)，環(huán)繞地球伸千米長(zhǎng)，環(huán)繞地球伸展成弧，然而它卻不展成弧，然而它卻不到一千米厚。這種壯到一千米厚。這種壯觀的美景是怎樣產(chǎn)生觀的美景是怎樣產(chǎn)生的呢？的呢？ 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出xyzo0F磁磁 感感 強(qiáng)強(qiáng) 度度 的的 定定

2、義義B+v 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受的力與運(yùn)動(dòng)方向有動(dòng)所受的力與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)關(guān). 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶電粒子在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶電粒子在磁場(chǎng)中沿磁場(chǎng)中沿某一特定直線某一特定直線方方向運(yùn)動(dòng)時(shí)不受力，此直線向運(yùn)動(dòng)時(shí)不受力，此直線方向與電荷無關(guān)方向與電荷無關(guān).+vvv上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 磁感強(qiáng)度磁感強(qiáng)度 的定義：的定義：當(dāng)當(dāng)正電荷垂直于正電荷垂直于 特定直線運(yùn)動(dòng)特定直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，受力時(shí)，受力 將將 方方向定義為該點(diǎn)的向定義為該點(diǎn)的 的方向的方向. BmaxFvmaxFBvqFBmax磁感強(qiáng)度大小磁感強(qiáng)度大小+qvBmaxF思考：思考：?F 何時(shí)

3、最大？何時(shí)最大？何時(shí)最??？何時(shí)最?。可享?yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出當(dāng)帶電粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)帶電粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí): :qvBFm0F 當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)場(chǎng)方向垂直時(shí): :qBvqBvF勻速直線運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)勻速圓周運(yùn)動(dòng)勻速圓周運(yùn)動(dòng)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 一般情況下，如果帶電一般情況下，如果帶電粒子運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)方向粒子運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)方向成夾角成夾角 時(shí)時(shí)。sinqvBF BvqF洛侖茲力洛侖茲力大?。捍笮。簒yzo+qvBmF 方向：即以右手

4、四指方向：即以右手四指 經(jīng)經(jīng)由由小于小于 的角彎的角彎向向 , ,拇指的指向就是正電荷所受拇指的指向就是正電荷所受洛侖茲力的方向洛侖茲力的方向. .Bv180電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)洛倫茲力不會(huì)改變電荷的速率。電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)洛倫茲力不會(huì)改變電荷的速率。Fv上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 例例: :宇宙射線中的一個(gè)質(zhì)子以速率宇宙射線中的一個(gè)質(zhì)子以速率v= 1.0107m/s豎直進(jìn)入地球磁場(chǎng)內(nèi)，估算作用在這個(gè)質(zhì)子上的磁力豎直進(jìn)入地球磁場(chǎng)內(nèi)，估算作用在這個(gè)質(zhì)子上的磁力有多大？有多大？ 這個(gè)力約是質(zhì)

5、子重量這個(gè)力約是質(zhì)子重量(mg=1.610-26N）的的10109 9倍，倍，因此當(dāng)討論微觀帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般可以因此當(dāng)討論微觀帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般可以忽略重力的影響。忽略重力的影響。1974017sin1.6 101.0 100.3 10sin904.8 10FqvBNN 解解: :在地球赤道附近的地磁場(chǎng)沿水平方向，靠近地面在地球赤道附近的地磁場(chǎng)沿水平方向，靠近地面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為處的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為B= 0.310-4T ，已知質(zhì)子所帶電荷，已知質(zhì)子所帶電荷量為量為q=1.610-19C ，按洛侖茲力公式，可算出場(chǎng)強(qiáng)對(duì)質(zhì)，按洛侖茲力公式，可算出場(chǎng)強(qiáng)對(duì)質(zhì)子的作用力為子的

6、作用力為上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出二二 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 設(shè)有一均勻磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為設(shè)有一均勻磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ，一電荷，一電荷量為量為 、質(zhì)量為、質(zhì)量為 的粒子，以初速的粒子，以初速 進(jìn)入磁場(chǎng)中進(jìn)入磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。Bqm0v（1 1）如果如果 與與 相互平行相互平行B0v0F粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。（2 2）如果如果 與與 垂直垂直B0vBqvF0粒子作勻速圓周運(yùn)動(dòng)粒子作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。B0v上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)舉例帶電粒子

7、在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)舉例RmBq200vvqBmR0vB0vqBmRT220vmqBTf211 . 回旋半徑和回旋頻率回旋半徑和回旋頻率上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 兩個(gè)帶電粒子，以兩個(gè)帶電粒子，以相同的速度相同的速度垂直磁感線飛垂直磁感線飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它們的質(zhì)量之比是入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它們的質(zhì)量之比是1:6，電荷之比是，電荷之比是1:2，它們所受的磁場(chǎng)力之比是，它們所受的磁場(chǎng)力之比是_ ，它們各，它們各自每秒鐘完成圓周運(yùn)動(dòng)的次數(shù)之比是自每秒鐘完成圓周運(yùn)動(dòng)的次數(shù)之比是 _ 0FqB v1122FqFq12mqBTf21112212fq mfmq1 1:2 63

8、11:23:1上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出思考思考: 判斷磁場(chǎng)的方向判斷磁場(chǎng)的方向? The beam deflects downward in the presence of amagnetic field produced by a pair of current-carrying coils.ffevB vB Bv上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 圖中圖中A1 A2的距離為的距離為0.1m， A1端有一電子，其初速端有一電子，其初速度度v=1.0107m/s，若它所處的空間為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它在，若它所

9、處的空間為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它在磁場(chǎng)力的作用下沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)力的作用下沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)到A2端，則磁場(chǎng)各點(diǎn)的磁端，則磁場(chǎng)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B的大小的大小B= ，方向?yàn)?，方向?yàn)?，電子通過這段路程所需時(shí)間電子通過這段路程所需時(shí)間t=v A1 A231.14 10mBTeRv解解:/mRevB2vffevB 2RT v81.57 102TRtsv319.11 10emkg31.14 10 T81.57 10 s垂直紙面向里垂直紙面向里BvB上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出2 . 電子的反粒子電子的反粒子 電子偶電子偶 顯示正顯示正電子存在電子存在的云室

10、照的云室照片及其摹片及其摹描圖描圖鉛板鉛板正電子正電子電子電子B 1930年狄年狄拉克預(yù)言自拉克預(yù)言自然界存在正然界存在正電子電子上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 This color-enhanced photograph, taken at CERN, the particle physics laboratory outside Geneva,Switzerland, shows a collection of tracks left by subatomic particles in a bubble chamber. A bubble ch

11、amber is a container filled with liquid hydrogen that is superheated, Any charged particle passing through the liquid in this state leaves behind a trail of tiny bubbles .The paths are curved because there is an intense applied magnetic field.上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出（洛侖茲力不做功洛侖茲力不做功）vvv

12、/sinvv 洛侖茲力洛侖茲力 BqFvm 與與 不垂直不垂直Bvcosvv/qBmT2qBmRvqBmd2cosvTv/螺距螺距上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出.v0qI 半徑為半徑為R的空心載流無限長(zhǎng)螺線管，單位長(zhǎng)度的空心載流無限長(zhǎng)螺線管，單位長(zhǎng)度有有n匝線圈，導(dǎo)線電流為匝線圈，導(dǎo)線電流為I。今在螺線管。今在螺線管中部中部以與軸以與軸成成角的方向發(fā)射一個(gè)質(zhì)量為角的方向發(fā)射一個(gè)質(zhì)量為m，電荷為，電荷為q的粒子。的粒子。則該粒子初速則該粒子初速v0必須小于或等于必須小于或等于 ，才能，才能保證它不與螺線管管壁相撞。保證它不與螺線管管壁相撞。解：解：2

13、/2mvqvBR0002sin22sinmvmvRqBqBmvqnI0BnI02sinRqnImR截面圖截面圖.上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出2 2 帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出（1 1）會(huì)聚磁場(chǎng)中作螺旋運(yùn)動(dòng)的帶正電的粒子掉向返轉(zhuǎn)）會(huì)聚磁場(chǎng)中作螺旋運(yùn)動(dòng)的帶正電的粒子掉向返轉(zhuǎn)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí), , 半徑和螺距半徑和螺距都將隨磁場(chǎng)增大而減

14、小，將作變半徑的螺旋線運(yùn)動(dòng)都將隨磁場(chǎng)增大而減小，將作變半徑的螺旋線運(yùn)動(dòng)；特別是當(dāng)粒子向磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子所；特別是當(dāng)粒子向磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子所受的磁場(chǎng)力受的磁場(chǎng)力, ,恒有一指向磁場(chǎng)較弱方向的分力恒有一指向磁場(chǎng)較弱方向的分力, ,這個(gè)這個(gè)分力阻止帶電粒子向磁場(chǎng)較強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)。這樣有分力阻止帶電粒子向磁場(chǎng)較強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)。這樣有可能使粒子沿磁場(chǎng)增強(qiáng)方向的速度逐漸減小到零可能使粒子沿磁場(chǎng)增強(qiáng)方向的速度逐漸減小到零, ,從從而迫使粒子掉向反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。粒子的這種返轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就而迫使粒子掉向反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。粒子的這種返轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就好象光線遇到鏡面的反射一樣，所以這種裝置稱為好象光線遇到鏡面的反射一樣，所以

15、這種裝置稱為。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出F2F1BvFBv線圈線圈(磁鏡磁鏡)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出（2 2）磁約束裝置（磁瓶）磁約束裝置（磁瓶）（磁鏡）（磁鏡）（磁鏡）（磁鏡）上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 在研究受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)中，常常需要把等離子體在研究受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)中，常常需要把等離子體約束在一定空間區(qū)域，約束在一定空間區(qū)域，等離子體溫度高達(dá)幾千萬甚至幾等離子體溫度高達(dá)幾千萬甚至幾億攝氏度，億攝氏度，固體材料在這樣的高溫下都將被汽化，因

16、此固體材料在這樣的高溫下都將被汽化，因此，可以，可以利用上述帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將利用上述帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將等離子體約束在一定的空間。等離子體約束在一定的空間。下面我們將介紹一種等離下面我們將介紹一種等離體磁約束裝置體磁約束裝置托卡馬克。托卡馬克。 等離子是由大量的自由帶電粒子以及部分中性粒子等離子是由大量的自由帶電粒子以及部分中性粒子所組成的體系。宏觀上一般呈電中性，導(dǎo)電率較高，其所組成的體系。宏觀上一般呈電中性，導(dǎo)電率較高，其運(yùn)動(dòng)形式主要受電磁力支配。例如，在地球以外，圍繞運(yùn)動(dòng)形式主要受電磁力支配。例如，在地球以外，圍繞地球的電離層、太陽(yáng)及其它恒星等是天然的等離

17、子體，地球的電離層、太陽(yáng)及其它恒星等是天然的等離子體，而日光燈管中發(fā)光的電離氣體和實(shí)驗(yàn)室中高溫電離氣體而日光燈管中發(fā)光的電離氣體和實(shí)驗(yàn)室中高溫電離氣體都是人造等離子體。都是人造等離子體。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出全超導(dǎo)托卡馬克全超導(dǎo)托卡馬克EAST核聚變實(shí)驗(yàn)裝置核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 如果發(fā)明一種能夠承受上億度溫度，并且能夠控制氘和如果發(fā)明一種能夠承受上億度溫度，并且能夠控制氘和氚聚變穩(wěn)定持續(xù)輸出能量的裝置，那就相當(dāng)于發(fā)明一個(gè)氚聚變穩(wěn)定持續(xù)輸出能量的裝置，那就相當(dāng)于發(fā)明一個(gè)“

18、人人造太陽(yáng)造太陽(yáng)”，能夠像太陽(yáng)一樣給人類提供無限清潔的能源。，能夠像太陽(yáng)一樣給人類提供無限清潔的能源。 托卡馬克是托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器容器”，像一個(gè)中空的面包圈，像一個(gè)中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體?？捎脕砑s束電離子的等離子體。 從從19901990年開始，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所歷時(shí)年開始，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所歷時(shí)3 3年多建成中國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克裝置年多建成中國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克裝置-HT-7-HT-7，使中國(guó)成為，使中國(guó)成為繼俄、法、日之后第四個(gè)

19、擁有同類實(shí)驗(yàn)裝置的國(guó)家，實(shí)驗(yàn)中繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有同類實(shí)驗(yàn)裝置的國(guó)家，實(shí)驗(yàn)中最高電子溫度超過最高電子溫度超過50005000萬攝氏度，并獲得可重復(fù)的大于萬攝氏度，并獲得可重復(fù)的大于300300秒秒的等離子體放電。的等離子體放電。 EASTEAST又稱又稱“實(shí)驗(yàn)型先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)型先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克”，是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，是世界上第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，是世界上第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻第一壁結(jié)構(gòu)的托卡馬克。該行、具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻第一壁結(jié)構(gòu)的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導(dǎo)和非圓截面特性，更有利科學(xué)家探裝置有真正意義的全超導(dǎo)和非圓截

20、面特性，更有利科學(xué)家探索等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式。索等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式。 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出托卡馬克裝置原理示意圖托卡馬克裝置原理示意圖上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 托卡馬克裝托卡馬克裝置剖面結(jié)構(gòu)和置剖面結(jié)構(gòu)和工作時(shí)內(nèi)部狀工作時(shí)內(nèi)部狀態(tài)（上）示意態(tài)（上）示意圖圖上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出托卡馬克裝置環(huán)型容器內(nèi)部實(shí)景托卡馬克裝置環(huán)型容器內(nèi)部實(shí)景上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 成功成功上頁(yè)上頁(yè)

21、 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 當(dāng)來自外層空間的大量粒子當(dāng)來自外層空間的大量粒子( (宇宙射線宇宙射線) )進(jìn)入地進(jìn)入地球磁場(chǎng)范圍球磁場(chǎng)范圍, ,粒子將繞地磁感應(yīng)線作螺旋運(yùn)動(dòng)粒子將繞地磁感應(yīng)線作螺旋運(yùn)動(dòng), ,因?yàn)橐驗(yàn)樵诮鼉蓸O處地磁場(chǎng)增強(qiáng)在近兩極處地磁場(chǎng)增強(qiáng), ,作螺旋運(yùn)動(dòng)的粒子將被折作螺旋運(yùn)動(dòng)的粒子將被折回回, ,結(jié)果結(jié)果粒子在沿磁感應(yīng)線的區(qū)域內(nèi)來回振蕩粒子在沿磁感應(yīng)線的區(qū)域內(nèi)來回振蕩, ,形成形成一個(gè)帶電粒子區(qū)域一個(gè)帶電粒子區(qū)域, ,稱稱范艾侖輻射帶范艾侖輻射帶, ,此帶相對(duì)地球

22、此帶相對(duì)地球作對(duì)稱分布。作對(duì)稱分布。范艾侖輻射帶范艾侖輻射帶：宇宙中的磁約束現(xiàn)象：宇宙中的磁約束現(xiàn)象上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出范艾侖輻射帶的形成示意圖范艾侖輻射帶的形成示意圖上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出包圍地球外圍的范艾侖輻射帶包圍地球外圍的范艾侖輻射帶 1958 1958年人造衛(wèi)星的探測(cè)發(fā)現(xiàn)年人造衛(wèi)星的探測(cè)發(fā)現(xiàn),范艾侖輻射帶有兩范艾侖輻射帶有兩層層, ,內(nèi)層在距地面內(nèi)層在距地面800-4000Km800-4000Km處處, ,外層在外層在60000Km60000Km處。處。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返

23、回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 北極光的產(chǎn)生是由于有時(shí)太陽(yáng)黑子活動(dòng)，太北極光的產(chǎn)生是由于有時(shí)太陽(yáng)黑子活動(dòng)，太陽(yáng)噴射的高能帶電粒子流形成的太陽(yáng)風(fēng)，在地磁陽(yáng)噴射的高能帶電粒子流形成的太陽(yáng)風(fēng)，在地磁感應(yīng)線的引導(dǎo)下在地球北極附近進(jìn)入大氣層時(shí)將感應(yīng)線的引導(dǎo)下在地球北極附近進(jìn)入大氣層時(shí)將使大氣激發(fā)，然后輻射發(fā)光，從而出現(xiàn)美麗的北使大氣激發(fā)，然后輻射發(fā)光，從而出現(xiàn)美麗的北極光。極光。 在靠近兩極的一些國(guó)家和地區(qū)在靠近兩極的一些國(guó)家和地區(qū), ,如美國(guó)的阿拉如美國(guó)的阿拉斯加斯加, ,亞洲的西伯利亞亞洲的西伯利亞, ,歐洲的挪威、瑞典和芬蘭歐洲的挪威、瑞典和芬蘭等國(guó)家，夜晚的天空會(huì)出現(xiàn)五顏

24、六色絢麗多彩的等國(guó)家，夜晚的天空會(huì)出現(xiàn)五顏六色絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，有的呈弧形，有的呈彌漫狀的斑塊，發(fā)光現(xiàn)象，有的呈弧形，有的呈彌漫狀的斑塊，有的呈大而均勻的發(fā)光面等它們被統(tǒng)稱做極光，有的呈大而均勻的發(fā)光面等它們被統(tǒng)稱做極光，發(fā)生在北極的稱北極光，發(fā)生在南極的稱南極光。發(fā)生在北極的稱北極光，發(fā)生在南極的稱南極光。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 木星和土星這兩顆行星都有比地球更強(qiáng)的磁場(chǎng)木星和土星這兩顆行星都有比地球更強(qiáng)的磁場(chǎng)（木星在赤道的磁場(chǎng)強(qiáng)度是（木星在赤道的磁場(chǎng)強(qiáng)度是4.3

25、高斯，相較之下地球只高斯，相較之下地球只有有0.3高斯），而且兩者也都有強(qiáng)大的輻射帶。哈勃太高斯），而且兩者也都有強(qiáng)大的輻射帶。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光?？胀h(yuǎn)鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光。 拍攝到的木星極光拍攝到的木星極光 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中所受的力帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中所受的力BqEqFv 運(yùn)動(dòng)電荷在電運(yùn)動(dòng)電荷在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中受的力場(chǎng)和磁場(chǎng)中受的力 磁聚焦磁聚焦聚焦磁極聚焦磁極上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 應(yīng)用應(yīng)用 電子光學(xué)電子光學(xué) , 電

26、子顯微鏡等電子顯微鏡等 . 磁聚焦磁聚焦 在均勻磁場(chǎng)中某點(diǎn)在均勻磁場(chǎng)中某點(diǎn) A 發(fā)射一束初速相發(fā)射一束初速相差不大的帶電粒子差不大的帶電粒子, 它們的它們的 與與 之間的夾角之間的夾角 不盡相同不盡相同 , 但都較小但都較小, 這些粒子沿半徑不同的螺旋這些粒子沿半徑不同的螺旋線運(yùn)動(dòng)線運(yùn)動(dòng), 因螺距近似相等因螺距近似相等, 都相交于屏上同一點(diǎn)都相交于屏上同一點(diǎn), 此此現(xiàn)象稱之為磁聚焦現(xiàn)象稱之為磁聚焦 .0vB上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出電子顯微鏡中的磁聚焦電子顯微鏡中的磁聚焦上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退

27、出磁聚焦磁聚焦上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 設(shè)電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的縱向路徑長(zhǎng)度為設(shè)電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的縱向路徑長(zhǎng)度為 ，調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，使比值，使比值 為一整數(shù)。電為一整數(shù)。電子的縱向速度子的縱向速度 可以由電子槍的加速電壓可以由電子槍的加速電壓 求得。求得。lB0 xlnvTxv0UeUmvx2021BemT2nTvlx0UlBnme22228電子的電子的比荷比荷目前公認(rèn)的數(shù)值為目前公認(rèn)的數(shù)值為kgCme/10)00000053. 075881962. 1 (11kgme3110)0000054. 01093897. 9(上頁(yè)上頁(yè)

28、下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出. . . . . . . .+-A AK+dL. . . . . . .1p2p. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)舉例帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)舉例1 . 電子比荷的測(cè)定電子比荷的測(cè)定速度選擇器速度選擇器BeEe0vBE0v上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出20e212121vLmeEaty0evvLmeEaty20e0arctanarctanvvvmeELy20e2tanvLdmeEdy1p2

29、pdL+-1y2yoyx0v上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出20e20e2121vvLdmeELmeEyyy20e2tanvLdmeEdy20e212121vLmeEaty1p2pdL+-1y2yoyx0v上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出1p2pdL+-1y2yoyx0v2220eLLdEmeyv1220e2LLdyEmevBE0v上述計(jì)算上述計(jì)算 的條件的條件cv122e2LLdyBEme電子電子比荷比荷上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 質(zhì)譜儀是分析質(zhì)譜儀是分析

30、同位素的重要儀器。同位素的重要儀器。倍恩勃立奇質(zhì)譜儀結(jié)倍恩勃立奇質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖速度選擇器速度選擇器離子源離子源加速電場(chǎng)加速電場(chǎng)均勻磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng)0SAA1S1S2P1PEBBB上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 從離子源產(chǎn)生的從離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)過狹縫離子，經(jīng)過狹縫S S1 1和和S S2 2之間的電場(chǎng)加速，進(jìn)之間的電場(chǎng)加速，進(jìn)入速度選擇器。從入速度選擇器。從速度選擇器射出的粒速度選擇器射出的粒子進(jìn)入與其速度方向子進(jìn)入與其速度方向垂直的均勻磁場(chǎng)中，垂直的均勻磁場(chǎng)中，最后，不同質(zhì)量的離最后，不同質(zhì)量的離子打在底片上不同位子打在底片上不同位置處。

31、沖洗底片，得置處。沖洗底片，得到該元素的各種同位到該元素的各種同位素按質(zhì)量排列的線系素按質(zhì)量排列的線系( (質(zhì)譜質(zhì)譜) )。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出(1) (1) 速度與磁場(chǎng)垂直時(shí)，粒子軌道半徑為：速度與磁場(chǎng)垂直時(shí)，粒子軌道半徑為：qBmvR 對(duì)于同位素的對(duì)于同位素的離子，帶電量應(yīng)相同，離子，帶電量應(yīng)相同，因此，軌道半徑僅僅因此，軌道半徑僅僅由質(zhì)量決定。每種同由質(zhì)量決定。每種同位素在底片上的位置位素在底片上的位置不同，構(gòu)成了質(zhì)譜。不同，構(gòu)成了質(zhì)譜。如果底片上有三條線如果底片上有三條線系，則元素應(yīng)有三種系，則元素應(yīng)有三種對(duì)應(yīng)的同位素。對(duì)應(yīng)的同位

32、素。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出(2) (2) 離子通過速度選擇器的速度為：離子通過速度選擇器的速度為：/vE B 只有上面速度只有上面速度的離子能通過速度的離子能通過速度選擇器。選擇器。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出(3) (3) 某元素的一種同位素，速度和軌道半徑分別為：某元素的一種同位素，速度和軌道半徑分別為：qBmvR /vE B 譜線位置與速度選擇器的譜線位置與速度選擇器的軸線間的距離應(yīng)為軌道直徑，軸線間的距離應(yīng)為軌道直徑，即：即：Rd2mERqBB2mEqBB2qBBmdE同位素的質(zhì)量為：

33、同位素的質(zhì)量為：0SAA1S1S2P1PEBBBqEmRBB上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀RmBq2vvvRBqm7072 73 74 76鍺的質(zhì)譜鍺的質(zhì)譜.1p2p+-2s3s1s速度選擇器速度選擇器照相底片照相底片質(zhì)譜儀的示意圖質(zhì)譜儀的示意圖上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出3 . 回旋加速器回旋加速器 1932年勞倫斯研制第一臺(tái)回旋加速器的年勞倫斯研制第一臺(tái)回旋加速器的D型室型室. 此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，的能量，為此為此1939年勞倫斯獲

34、得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 (a) A cyclotron consists of an ion source at P, two dees D1 and D2 across which an alternating potential difference is applied, and a uniform magnetic field.The red dashed curved lines represent the path of the particles. (b) The first cyc

35、lotron, invented by E. O. Lawrence and M. S. Livingston in 1934.上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出1D2D真空室 接高頻電源 離子源 D型盒引出離子束 1D2D(1)(1)裝置裝置 電磁鐵電磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)D 形真空盒形真空盒 放在真空室內(nèi)，接高頻交放在真空室內(nèi)，接高頻交變電壓，使粒子旋轉(zhuǎn)加速變電壓，使粒子旋轉(zhuǎn)加速, ,(2)(2)原理原理 離子源產(chǎn)生的帶電離子源產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)電場(chǎng)加速進(jìn)入粒子經(jīng)電場(chǎng)加速進(jìn)入D1磁場(chǎng)使粒子在盒內(nèi)磁場(chǎng)使粒子在盒內(nèi)做圓運(yùn)動(dòng)，做圓運(yùn)動(dòng)， 帶電粒子源帶

36、電粒子源 產(chǎn)生產(chǎn)生帶電粒子帶電粒子上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 高頻交變電源使高頻交變電源使D型盒間縫隙處產(chǎn)生高頻交變電場(chǎng)型盒間縫隙處產(chǎn)生高頻交變電場(chǎng)使帶電粒子每經(jīng)過縫隙處就被加速一次。帶電粒子在使帶電粒子每經(jīng)過縫隙處就被加速一次。帶電粒子在盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)只受磁場(chǎng)作用速率不變。在一半盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)只受磁場(chǎng)作用速率不變。在一半盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為時(shí)間為qBmt 該時(shí)間與運(yùn)動(dòng)半徑無關(guān)，只要高頻電源頻率和帶該時(shí)間與運(yùn)動(dòng)半徑無關(guān)，只要高頻電源頻率和帶電粒子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率一樣，就可保證其每次經(jīng)過縫電粒子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率一樣，就可保證其每次經(jīng)過縫隙處被加速。隙處被加

37、速。在粒子被加速到近光速時(shí)，考慮相對(duì)論效應(yīng)，粒子在在粒子被加速到近光速時(shí)，考慮相對(duì)論效應(yīng)，粒子在盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)頻率下降，此時(shí)使高頻電場(chǎng)盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)頻率下降，此時(shí)使高頻電場(chǎng)頻率與帶電粒子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率同步變化，就仍可保頻率與帶電粒子在盒內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率同步變化，就仍可保證粒子被加速，這種回旋加速器叫同步回旋加速器。證粒子被加速，這種回旋加速器叫同步回旋加速器。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出mqBf2mqBR0v2k21vmE 頻率與半徑無關(guān)頻率與半徑無關(guān)到半圓盒邊緣時(shí)到半圓盒邊緣時(shí)mRBqE22022k回旋加速器原理圖回旋加速器原理圖NS

38、B2D1DON上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 例例 2 有一回旋加有一回旋加 速器，他速器，他 的交變的交變 電壓的電壓的 頻率頻率為為 ，半圓形電極的半徑為，半圓形電極的半徑為0.532m . 問問 加速加速氘核所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大氘核所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大？氘核所能達(dá)到的最大氘核所能達(dá)到的最大動(dòng)能為多大動(dòng)能為多大？其最大速率有多大其最大速率有多大？（已知氘核的質(zhì)量（已知氘核的質(zhì)量為為 ，電荷為，電荷為 ）. Hz10126kg103 . 327C106 . 119解解 由粒子的回旋頻率公式，可得由粒子的回旋頻率公式，可得T56. 1T106

39、. 11012103 . 31962722BqmfMeV7 .1622022kmRBqE170sm1002. 4mqBRv上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 回旋加速器一般用來加速質(zhì)量較大的帶電粒子?；匦铀倨饕话阌脕砑铀儋|(zhì)量較大的帶電粒子。下圖為世界最大的回旋加速器內(nèi)部情況。下圖為世界最大的回旋加速器內(nèi)部情況。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 我國(guó)于我國(guó)于1994年建年建成的第一成的第一臺(tái)強(qiáng)流質(zhì)臺(tái)強(qiáng)流質(zhì)子加速器子加速器 ，可產(chǎn)生數(shù)可產(chǎn)生數(shù)十種中短十種中短壽命放射壽命放射性同位素性同位素 .上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè)

40、 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士、法國(guó)邊境地下大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士、法國(guó)邊境地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長(zhǎng)達(dá)米深的環(huán)形隧道中，隧道全長(zhǎng)達(dá)27公里公里 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出世界最大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（世界最大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）正式啟動(dòng)）正式啟動(dòng)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出ATLAS是一臺(tái)巨型數(shù)字照相機(jī)，能夠拍攝質(zhì)子間是一臺(tái)巨型數(shù)字照相機(jī)，能夠拍攝質(zhì)子間6億次碰撞的照片億次碰撞的照片 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回

41、返回 退出退出 史上最大的強(qiáng)子撞擊器史上最大的強(qiáng)子撞擊器LHC，坐落在瑞士和法國(guó)邊，坐落在瑞士和法國(guó)邊界山脈深入界山脈深入46米至米至150米地底，從構(gòu)想到建成歷時(shí)近米地底，從構(gòu)想到建成歷時(shí)近20年，年，花了花了60億瑞士法郎，吸引億瑞士法郎，吸引80個(gè)國(guó)家個(gè)國(guó)家5000名科學(xué)家參與。名科學(xué)家參與。 在這個(gè)大型強(qiáng)子對(duì)撞器內(nèi)那條在這個(gè)大型強(qiáng)子對(duì)撞器內(nèi)那條27公里長(zhǎng)的圓形隧道，公里長(zhǎng)的圓形隧道，超導(dǎo)磁鐵會(huì)把質(zhì)子和離子，加速至接近光速，然后相撞，超導(dǎo)磁鐵會(huì)把質(zhì)子和離子，加速至接近光速，然后相撞，在極細(xì)微空間爆發(fā)十萬倍太陽(yáng)溫度的超級(jí)高溫。這一刻在極細(xì)微空間爆發(fā)十萬倍太陽(yáng)溫度的超級(jí)高溫。這一刻就像宇宙大

42、爆炸之后，釋放大量能量和基本粒子，冷卻就像宇宙大爆炸之后，釋放大量能量和基本粒子，冷卻后形成組成物質(zhì)的質(zhì)子和中子。后形成組成物質(zhì)的質(zhì)子和中子。 ATLAS是安裝在環(huán)形隧道上的是安裝在環(huán)形隧道上的4個(gè)巨大實(shí)驗(yàn)室中的個(gè)巨大實(shí)驗(yàn)室中的一個(gè)，附在環(huán)形隧道周圍的探測(cè)器將監(jiān)視撞擊過程。發(fā)一個(gè)，附在環(huán)形隧道周圍的探測(cè)器將監(jiān)視撞擊過程。發(fā)言人彼得言人彼得詹尼詹尼(Peter Jenni)說：說：“我們將進(jìn)入物理學(xué)的我們將進(jìn)入物理學(xué)的全新領(lǐng)域。全新領(lǐng)域。9月月10日是一個(gè)非常重要的里程碑。日是一個(gè)非常重要的里程碑?！?上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出霍 耳 效 應(yīng)4

43、. 霍耳效應(yīng)霍耳效應(yīng)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體板上，垂直于板面施加在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體板上，垂直于板面施加一磁場(chǎng)，則平行磁場(chǎng)的兩面出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這一一磁場(chǎng)，則平行磁場(chǎng)的兩面出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象是現(xiàn)象是18791879年美國(guó)物理學(xué)家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳年美國(guó)物理學(xué)家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應(yīng)。該電勢(shì)差稱為效應(yīng)。該電勢(shì)差稱為霍耳電勢(shì)差霍耳電勢(shì)差 。dBIbHUdIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓+qdv+ + + + + - - - - -eFmF上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出dIB

44、RUHH霍耳電壓霍耳電壓 實(shí)驗(yàn)指出，在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍耳電壓與電流強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)指出，在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍耳電壓與電流強(qiáng)度I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成正比，與板的厚度成正比，與板的厚度 d 成反比成反比。RH 稱為霍耳系數(shù)，僅與材料有關(guān)。稱為霍耳系數(shù)，僅與材料有關(guān)。nqR1Hn 單位體積的載流子數(shù)單位體積的載流子數(shù)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)的載流子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)的載流子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正負(fù)載流子在板的上下底面積累力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正負(fù)載流子在板的上下底面積累了正負(fù)電荷，建立了電場(chǎng)了正負(fù)電荷，建立了電場(chǎng) EH ，

45、形成電勢(shì)差。，形成電勢(shì)差。 Udb1V2VmFveFHEBI金屬金屬 Udb1V2VmFveFHEBI 半導(dǎo)體半導(dǎo)體找不同找不同上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 導(dǎo)體中載流子的平均定向速率為導(dǎo)體中載流子的平均定向速率為v，則受到，則受到洛侖茲力為洛侖茲力為qvB，上下兩板形成電勢(shì)差后，載流，上下兩板形成電勢(shì)差后，載流子還受到一個(gè)與洛侖茲力方向相反的電場(chǎng)力子還受到一個(gè)與洛侖茲力方向相反的電場(chǎng)力qEH ，兩力平衡時(shí)有：兩力平衡時(shí)有：/HHqvBqEqUb BI 設(shè)載流子濃度為設(shè)載流子濃度為n，則電流強(qiáng)，則電流強(qiáng)度與載流子定向速率的關(guān)系為：度與載流子定向速

46、率的關(guān)系為：qnbdvI Ivqnbd1HBIUvBbnq d1HRnqn 單位體積的載流子數(shù)單位體積的載流子數(shù)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出mFevB金金屬屬薄薄板板dIB vmFHEeFeHFeE當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)emFF霍耳電場(chǎng)霍耳電場(chǎng)恒定電勢(shì)差恒定電勢(shì)差HEvB1V2Vb12UVVvBb 厚厚寬寬d:沿沿 的方向的方向B Ien bdvIBUned 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出金屬薄板dIB vmFHEeF1V2Vb12UVVvBb 設(shè)單位體積內(nèi)自設(shè)單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目由電子的數(shù)目nIen bdv

47、IBUned H1Rne霍耳霍耳系數(shù)系數(shù)若載流子為若載流子為帶正電帶正電的的qnqRH1則霍爾系數(shù)為則霍爾系數(shù)為d:沿沿 的方向的方向B QItenVtenvtstenvsN上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出mIBfevBns 金屬導(dǎo)體導(dǎo)載流子為金屬導(dǎo)體導(dǎo)載流子為電子電子，故上側(cè)積累負(fù)電荷故上側(cè)積累負(fù)電荷; QenVenvtsIenvstttfevB 負(fù)負(fù)16上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出2HnehR ), 2 , 1(n 量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)（1980年）年）051015200300400100T/B

48、mV/HU2n3n4nIURHH 霍耳電阻霍耳電阻上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出理論曲線理論曲線 量子霍耳效應(yīng)量子霍耳效應(yīng)BR2 m3 m4 m1 m 崔琦、施特默：更強(qiáng)崔琦、施特默：更強(qiáng)磁場(chǎng)下磁場(chǎng)下 11112345m 、 、 、 克里青：半導(dǎo)體在克里青：半導(dǎo)體在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)低溫強(qiáng)磁場(chǎng) m=1、2、3、 19851985年年 諾貝爾物理獎(jiǎng)諾貝爾物理獎(jiǎng) 1998年年 諾貝爾物理獎(jiǎng)諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)驗(yàn)曲線物理物理知識(shí)知識(shí)上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下

49、頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 2013年年4月月來自清華大學(xué)、中來自清華大學(xué)、中科院物理所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)科院物理所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了觀測(cè)到了“”。這一成果曾在美國(guó)這一成果曾在美國(guó)科學(xué)科學(xué)雜志發(fā)雜志發(fā)表。這一發(fā)現(xiàn)可被用于發(fā)展新一代表。這一發(fā)現(xiàn)可被用于發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，進(jìn)而低能耗晶體管和電子學(xué)器件，進(jìn)而推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。此前，整數(shù)推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。此前，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

50、的發(fā)現(xiàn)者都分別獲得了諾貝爾物理的發(fā)現(xiàn)者都分別獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，而獎(jiǎng)，而量子反?；魻栃?yīng)被認(rèn)為可量子反?；魻栃?yīng)被認(rèn)為可能是霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要能是霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員成員。 薛其坤在新聞發(fā)布會(huì)上薛其坤在新聞發(fā)布會(huì)上 上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出I+ + +- - -P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+-HUBmFdv霍耳效應(yīng)的應(yīng)用霍耳效應(yīng)的應(yīng)用2）測(cè)量磁場(chǎng)）測(cè)量磁場(chǎng)dIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓1）判斷半導(dǎo)體的類型）判斷半導(dǎo)體的類型mF+ + +- - - N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體HU-BI+-dv上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè)

51、下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 例：有載流金屬導(dǎo)體中出現(xiàn)霍耳效應(yīng)，測(cè)得兩底面的例：有載流金屬導(dǎo)體中出現(xiàn)霍耳效應(yīng)，測(cè)得兩底面的電勢(shì)差為電勢(shì)差為Ua - Ub = 0.310-3 V，則圖中所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的則圖中所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向?yàn)榉较驗(yàn)?。BI+ + + + + + +hlabvEHfevB 用公式用公式判斷判斷B 的方向的方向或用下面公式判斷：或用下面公式判斷：BvEH討論：如導(dǎo)體改用載流子是正的，其余不變，情況如何？討論：如導(dǎo)體改用載流子是正的，其余不變，情況如何？水平方向水平方向vB上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出3）磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電 使高溫等離

52、子體（導(dǎo)電流體）以使高溫等離子體（導(dǎo)電流體）以1000ms1000ms-1-1的高速進(jìn)入的高速進(jìn)入發(fā)電通道（發(fā)電通道上下兩面有磁極），由于洛侖茲力作發(fā)電通道（發(fā)電通道上下兩面有磁極），由于洛侖茲力作用，結(jié)果在發(fā)電通道兩側(cè)的電極上產(chǎn)生電勢(shì)差。不斷提供用，結(jié)果在發(fā)電通道兩側(cè)的電極上產(chǎn)生電勢(shì)差。不斷提供高溫高速的等離子體，便能在電極上連續(xù)輸出電能。高溫高速的等離子體，便能在電極上連續(xù)輸出電能。電極發(fā)電通道導(dǎo)電氣體NS上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 導(dǎo)電氣體導(dǎo)電氣體發(fā)電通道發(fā)電通道電極電極qq B磁流體發(fā)電原理圖磁流體發(fā)電原理圖 霍耳效應(yīng)已在測(cè)量技術(shù)、電子

53、技術(shù)、計(jì)算技霍耳效應(yīng)已在測(cè)量技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越普遍的應(yīng)用。術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越普遍的應(yīng)用。上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出上頁(yè)上頁(yè) 下頁(yè)下頁(yè) 返回返回 退出退出 例：例：把一寬為把一寬為2.0cm，厚，厚1.0cm的銅片，放在的銅片，放在B=1.5T的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)垂直通過銅片。如果銅片載的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)垂直通過銅片。如果銅片載有電流有電流200A，求呈現(xiàn)在銅片上下兩側(cè)間的霍耳電勢(shì)，求呈現(xiàn)在銅片上下兩側(cè)間的霍耳電勢(shì)差有多大？差有多大？32332839.0106.0108.4100.064nmm霍耳電勢(shì)差霍耳電勢(shì)差 解解： 每個(gè)銅原子中只有一個(gè)自由電子，故單位每個(gè)銅原子中只有一個(gè)自由電子，故單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)體積內(nèi)的自由電子數(shù)n即等于單位體積內(nèi)的原子數(shù)。即等于單位體積內(nèi)的原子數(shù)。已知銅的相對(duì)原子質(zhì)量為已知銅的相對(duì)原子質(zhì)量為6464，1 1mol銅（銅（0.0640.064kg）有有6.06.010102323個(gè)原子（阿伏加得羅常數(shù)）銅的密度為個(gè)原子（阿伏加得羅常數(shù)）銅的密度為9.09.010103 3 kg/m3，所以銅片中自由電子的密度，所以銅片中自