東華大學物理8-5

1、上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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看黑夜里你就可能會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，環(huán)繞地球伸千米長，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生觀的美景是怎樣產生的呢？的呢？ 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出xyzo0F磁磁 感感 強強 度度 的的 定定

2、義義B+v 帶電粒子在磁場中運帶電粒子在磁場中運動所受的力與運動方向有動所受的力與運動方向有關關. 實驗發(fā)現(xiàn)帶電粒子在實驗發(fā)現(xiàn)帶電粒子在磁場中沿磁場中沿某一特定直線某一特定直線方方向運動時不受力，此直線向運動時不受力，此直線方向與電荷無關方向與電荷無關.+vvv上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 磁感強度磁感強度 的定義：的定義：當當正電荷垂直于正電荷垂直于 特定直線運動特定直線運動時，受力時，受力 將將 方方向定義為該點的向定義為該點的 的方向的方向. BmaxFvmaxFBvqFBmax磁感強度大小磁感強度大小+qvBmaxF思考：思考：?F 何時

3、最大？何時最大？何時最??？何時最?。可享撋享?下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出當帶電粒子沿磁場方向運動時當帶電粒子沿磁場方向運動時: :qvBFm0F 當帶電粒子的運動方向與磁當帶電粒子的運動方向與磁場方向垂直時場方向垂直時: :qBvqBvF勻速直線運動勻速直線運動勻速圓周運動勻速圓周運動上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 一般情況下，如果帶電一般情況下，如果帶電粒子運動的方向與磁場方向粒子運動的方向與磁場方向成夾角成夾角 時時。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 經經由由小于小于 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電荷運動時洛倫茲力不會改變電荷的速率。電荷運動時洛倫茲力不會改變電荷的速率。Fv上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 例例: :宇宙射線中的一個質子以速率宇宙射線中的一個質子以速率v= 1.0107m/s豎直進入地球磁場內，估算作用在這個質子上的磁力豎直進入地球磁場內，估算作用在這個質子上的磁力有多大？有多大？ 這個力約是質

5、子重量這個力約是質子重量(mg=1.610-26N）的的10109 9倍，倍，因此當討論微觀帶電粒子在磁場中的運動時，一般可以因此當討論微觀帶電粒子在磁場中的運動時，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沿水平方向，靠近地面在地球赤道附近的地磁場沿水平方向，靠近地面處的磁感應強度約為處的磁感應強度約為B= 0.310-4T ，已知質子所帶電荷，已知質子所帶電荷量為量為q=1.610-19C ，按洛侖茲力公式，可算出場強對質，按洛侖茲力公式，可算出場強對質子的作用力為子的

6、作用力為上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出二二 帶電粒子在磁場中運動帶電粒子在磁場中運動 設有一均勻磁場，磁感應強度為設有一均勻磁場，磁感應強度為 ，一電荷，一電荷量為量為 、質量為、質量為 的粒子，以初速的粒子，以初速 進入磁場中進入磁場中運動。運動。Bqm0v（1 1）如果如果 與與 相互平行相互平行B0v0F粒子作勻速直線運動。粒子作勻速直線運動。（2 2）如果如果 與與 垂直垂直B0vBqvF0粒子作勻速圓周運動粒子作勻速圓周運動。B0v上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出帶電粒子在磁場中運動舉例帶電粒子

7、在磁場中運動舉例RmBq200vvqBmR0vB0vqBmRT220vmqBTf211 . 回旋半徑和回旋頻率回旋半徑和回旋頻率上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 兩個帶電粒子，以兩個帶電粒子，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磁場，它們的質量之比是入勻強磁場，它們的質量之比是1:6，電荷之比是，電荷之比是1:2，它們所受的磁場力之比是，它們所受的磁場力之比是_ ，它們各，它們各自每秒鐘完成圓周運動的次數之比是自每秒鐘完成圓周運動的次數之比是 _ 0FqB v1122FqFq12mqBTf21112212fq mfmq1 1:2 63

8、11:23:1上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出思考思考: 判斷磁場的方向判斷磁場的方向? The beam deflects downward in the presence of amagnetic field produced by a pair of current-carrying coils.ffevB vB Bv上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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磁場，它在，若它所

9、處的空間為勻強磁場，它在磁場力的作用下沿圓形軌道運動到磁場力的作用下沿圓形軌道運動到A2端，則磁場各點的磁端，則磁場各點的磁感應強度感應強度B的大小的大小B= ，方向為，方向為 ，電子通過這段路程所需時間電子通過這段路程所需時間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上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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年狄年狄拉克預言自拉克預言自然界存在正然界存在正電子電子上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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.上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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/螺距螺距上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出.v0qI 半徑為半徑為R的空心載流無限長螺線管，單位長度的空心載流無限長螺線管，單位長度有有n匝線圈，導線電流為匝線圈，導線電流為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)射一個質量為角的方向發(fā)射一個質量為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.上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出2 2 帶電粒子在非均勻磁場中運動帶電粒子在非均勻磁場中運動上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出（1 1）會聚磁場中作螺旋運動的帶正電的粒子掉向返轉）會聚磁場中作螺旋運動的帶正電的粒子掉向返轉上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 帶電粒子在非均勻磁場中運動時帶電粒子在非均勻磁場中運動時, , 半徑和螺距半徑和螺距都將隨磁場增大而減

14、小，將作變半徑的螺旋線運動都將隨磁場增大而減小，將作變半徑的螺旋線運動；特別是當粒子向磁場增強的方向運動時，粒子所；特別是當粒子向磁場增強的方向運動時，粒子所受的磁場力受的磁場力, ,恒有一指向磁場較弱方向的分力恒有一指向磁場較弱方向的分力, ,這個這個分力阻止帶電粒子向磁場較強的方向運動。這樣有分力阻止帶電粒子向磁場較強的方向運動。這樣有可能使粒子沿磁場增強方向的速度逐漸減小到零可能使粒子沿磁場增強方向的速度逐漸減小到零, ,從從而迫使粒子掉向反轉運動。粒子的這種返轉運動就而迫使粒子掉向反轉運動。粒子的這種返轉運動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。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出F2F1BvFBv線圈線圈(磁鏡磁鏡)上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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）上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 在研究受控熱核反應實驗中，常常需要把等離子體在研究受控熱核反應實驗中，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，等離子體溫度高達幾千萬甚至幾等離子體溫度高達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運動的特點，將利用上述帶電粒子在非均勻磁場運動的特點，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，導電率較高，其所組成的體系。宏觀上一般呈電中性，導電率較高，其運動形式主要受電磁力支配。例如，在地球以外，圍繞運動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、太陽及其它恒星等是天然的等離

17、子體，地球的電離層、太陽及其它恒星等是天然的等離子體，而日光燈管中發(fā)光的電離氣體和實驗室中高溫電離氣體而日光燈管中發(fā)光的電離氣體和實驗室中高溫電離氣體都是人造等離子體。都是人造等離子體。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出全超導托卡馬克全超導托卡馬克EAST核聚變實驗裝置核聚變實驗裝置 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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，那就相當于發(fā)明一個氚聚變穩(wěn)定持續(xù)輸出能量的裝置，那就相當于發(fā)明一個“

18、人人造太陽造太陽”，能夠像太陽一樣給人類提供無限清潔的能源。，能夠像太陽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。這是一個由封閉磁場組成的這是一個由封閉磁場組成的“容器容器”，像一個中空的面包圈，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體。可用來約束電離子的等離子體。 從從19901990年開始，中國科學院等離子體物理研究所歷時年開始，中國科學院等離子體物理研究所歷時3 3年多建成中國第一臺超導托卡馬克裝置年多建成中國第一臺超導托卡馬克裝置-HT-7-HT-7，使中國成為，使中國成為繼俄、法、日之后第四個

19、擁有同類實驗裝置的國家，實驗中繼俄、法、日之后第四個擁有同類實驗裝置的國家，實驗中最高電子溫度超過最高電子溫度超過50005000萬攝氏度，并獲得可重復的大于萬攝氏度，并獲得可重復的大于300300秒秒的等離子體放電。的等離子體放電。 EASTEAST又稱又稱“實驗型先進超導托卡馬克實驗型先進超導托卡馬克”，是一臺全超導托卡馬克裝置，是世界上第一個可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運是一臺全超導托卡馬克裝置，是世界上第一個可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行、具有全超導磁體和主動冷卻第一壁結構的托卡馬克。該行、具有全超導磁體和主動冷卻第一壁結構的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導和非圓截面特性，更有利科學家探裝置有真正意義的全超導和非圓截

20、面特性，更有利科學家探索等離子體穩(wěn)態(tài)先進運行模式。索等離子體穩(wěn)態(tài)先進運行模式。 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 托卡馬克裝托卡馬克裝置剖面結構和置剖面結構和工作時內部狀工作時內部狀態(tài)（上）示意態(tài)（上）示意圖圖上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出托卡馬克裝置環(huán)型容器內部實景托卡馬克裝置環(huán)型容器內部實景上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 成功成功上頁上頁

21、 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 當來自外層空間的大量粒子當來自外層空間的大量粒子( (宇宙射線宇宙射線) )進入地進入地球磁場范圍球磁場范圍, ,粒子將繞地磁感應線作螺旋運動粒子將繞地磁感應線作螺旋運動, ,因為因為在近兩極處地磁場增強在近兩極處地磁場增強, ,作螺旋運動的粒子將被折作螺旋運動的粒子將被折回回, ,結果結果粒子在沿磁感應線的區(qū)域內來回振蕩粒子在沿磁感應線的區(qū)域內來回振蕩, ,形成形成一個帶電粒子區(qū)域一個帶電粒子區(qū)域, ,稱稱范艾侖輻射帶范艾侖輻射帶, ,此帶相對地球

22、此帶相對地球作對稱分布。作對稱分布。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)象上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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)星的探測發(fā)現(xiàn)年人造衛(wèi)星的探測發(fā)現(xiàn),范艾侖輻射帶有兩范艾侖輻射帶有兩層層, ,內層在距地面內層在距地面800-4000Km800-4000Km處處, ,外層在外層在60000Km60000Km處。處。上頁上頁 下頁下頁 返

23、回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 北極光的產生是由于有時太陽黑子活動，太北極光的產生是由于有時太陽黑子活動，太陽噴射的高能帶電粒子流形成的太陽風，在地磁陽噴射的高能帶電粒子流形成的太陽風，在地磁感應線的引導下在地球北極附近進入大氣層時將感應線的引導下在地球北極附近進入大氣層時將使大氣激發(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家和地區(qū)在靠近兩極的一些國家和地區(qū), ,如美國的阿拉如美國的阿拉斯加斯加, ,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、瑞典和芬蘭等國家，夜晚的天空會出現(xiàn)五顏

24、六色絢麗多彩的等國家，夜晚的天空會出現(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。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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的磁場木星和土星這兩顆行星都有比地球更強的磁場（木星在赤道的磁場強度是（木星在赤道的磁場強度是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），而且兩者也都有強大的輻射帶。哈勃太高斯），而且兩者也都有強大的輻射帶。哈勃太空望遠鏡也很清楚的看見這兩顆行星的極光。空望遠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 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 帶電粒子在電場和磁場中所受的力帶電粒子在電場和磁場中所受的力BqEqFv 運動電荷在電運動電荷在電場和磁場中受的力場和磁場中受的力 磁聚焦磁聚焦聚焦磁極聚焦磁極上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 應用應用 電子光學電子光學 , 電

26、子顯微鏡等電子顯微鏡等 . 磁聚焦磁聚焦 在均勻磁場中某點在均勻磁場中某點 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動線運動, 因螺距近似相等因螺距近似相等, 都相交于屏上同一點都相交于屏上同一點, 此此現(xiàn)象稱之為磁聚焦現(xiàn)象稱之為磁聚焦 .0vB上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退

27、出磁聚焦磁聚焦上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 設電子在磁場中運動的縱向路徑長度為設電子在磁場中運動的縱向路徑長度為 ，調節(jié)磁感應強度調節(jié)磁感應強度 ，使比值，使比值 為一整數。電為一整數。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的數值為目前公認的數值為kgCme/10)00000053. 075881962. 1 (11kgme3110)0000054. 01093897. 9(上頁上頁

28、下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出. . . . . . . .+-A AK+dL. . . . . . .1p2p. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 帶電粒子在電場和磁場中運動舉例帶電粒子在電場和磁場中運動舉例1 . 電子比荷的測定電子比荷的測定速度選擇器速度選擇器BeEe0vBE0v上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出20e212121vLmeEaty0evvLmeEaty20e0arctanarctanvvvmeELy20e2tanvLdmeEdy1p2

29、pdL+-1y2yoyx0v上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出20e20e2121vvLdmeELmeEyyy20e2tanvLdmeEdy20e212121vLmeEaty1p2pdL+-1y2yoyx0v上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出1p2pdL+-1y2yoyx0v2220eLLdEmeyv1220e2LLdyEmevBE0v上述計算上述計算 的條件的條件cv122e2LLdyBEme電子電子比荷比荷上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 質譜儀是分析質譜儀是分析

30、同位素的重要儀器。同位素的重要儀器。倍恩勃立奇質譜儀結倍恩勃立奇質譜儀結構示意圖構示意圖速度選擇器速度選擇器離子源離子源加速電場加速電場均勻磁場均勻磁場0SAA1S1S2P1PEBBB上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 從離子源產生的從離子源產生的離子，經過狹縫離子，經過狹縫S S1 1和和S S2 2之間的電場加速，進之間的電場加速，進入速度選擇器。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入與其速度方向子進入與其速度方向垂直的均勻磁場中，垂直的均勻磁場中，最后，不同質量的離最后，不同質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量排列的線系素按質量排列的線系( (質譜質譜) )。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出(1) (1) 速度與磁場垂直時，粒子軌道半徑為：速度與磁場垂直時，粒子軌道半徑為：qBmvR 對于同位素的對于同位素的離子，帶電量應相同，離子，帶電量應相同，因此，軌道半徑僅僅因此，軌道半徑僅僅由質量決定。每種同由質量決定。每種同位素在底片上的位置位素在底片上的位置不同，構成了質譜。不同，構成了質譜。如果底片上有三條線如果底片上有三條線系，則元素應有三種系，則元素應有三種對應的同位素。對應的同位

32、素。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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為軌道直徑，軸線間的距離應為軌道直徑，即：即：Rd2mERqBB2mEqBB2qBBmdE同位素的質量為：

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

34、得諾貝爾物理學獎年勞倫斯獲得諾貝爾物理學獎.上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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.上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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 電磁鐵電磁鐵產生強大磁場產生強大磁場D 形真空盒形真空盒 放在真空室內，接高頻交放在真空室內，接高頻交變電壓，使粒子旋轉加速變電壓，使粒子旋轉加速, ,(2)(2)原理原理 離子源產生的帶電離子源產生的帶電粒子經電場加速進入粒子經電場加速進入D1磁場使粒子在盒內磁場使粒子在盒內做圓運動，做圓運動， 帶電粒子源帶

36、電粒子源 產生產生帶電粒子帶電粒子上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 高頻交變電源使高頻交變電源使D型盒間縫隙處產生高頻交變電場型盒間縫隙處產生高頻交變電場使帶電粒子每經過縫隙處就被加速一次。帶電粒子在使帶電粒子每經過縫隙處就被加速一次。帶電粒子在盒內運動時只受磁場作用速率不變。在一半盒內運動盒內運動時只受磁場作用速率不變。在一半盒內運動時間為時間為qBmt 該時間與運動半徑無關，只要高頻電源頻率和帶該時間與運動半徑無關，只要高頻電源頻率和帶電粒子在盒內旋轉頻率一樣，就可保證其每次經過縫電粒子在盒內旋轉頻率一樣，就可保證其每次經過縫隙處被加速。隙處被加

37、速。在粒子被加速到近光速時，考慮相對論效應，粒子在在粒子被加速到近光速時，考慮相對論效應，粒子在盒內運動時間變長，旋轉頻率下降，此時使高頻電場盒內運動時間變長，旋轉頻率下降，此時使高頻電場頻率與帶電粒子在盒內旋轉頻率同步變化，就仍可保頻率與帶電粒子在盒內旋轉頻率同步變化，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。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出mqBf2mqBR0v2k21vmE 頻率與半徑無關頻率與半徑無關到半圓盒邊緣時到半圓盒邊緣時mRBqE22022k回旋加速器原理圖回旋加速器原理圖NS

38、B2D1DON上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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強度為多大氘核所需的磁感應強度為多大？氘核所能達到的最大氘核所能達到的最大動能為多大動能為多大？其最大速率有多大其最大速率有多大？（已知氘核的質量（已知氘核的質量為為 ，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上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 回旋加速器一般用來加速質量較大的帶電粒子?；匦铀倨饕话阌脕砑铀儋|量較大的帶電粒子。下圖為世界最大的回旋加速器內部情況。下圖為世界最大的回旋加速器內部情況。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 我國于我國于1994年建年建成的第一成的第一臺強流質臺強流質子加速器子加速器 ，可產生數可產生數十種中短十種中短壽命放射壽命放射性同位素性同位素 .上頁上頁 下頁下頁

40、 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出大型強子對撞機位于瑞士、法國邊境地下大型強子對撞機位于瑞士、法國邊境地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長達米深的環(huán)形隧道中，隧道全長達27公里公里 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出世界最大強子對撞機（世界最大強子對撞機（LHC）正式啟動）正式啟動上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出ATLAS是一臺巨型數字照相機，能夠拍攝質子間是一臺巨型數字照相機，能夠拍攝質子間6億次碰撞的照片億次碰撞的照片 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回

41、返回 退出退出 史上最大的強子撞擊器史上最大的強子撞擊器LHC，坐落在瑞士和法國邊，坐落在瑞士和法國邊界山脈深入界山脈深入46米至米至150米地底，從構想到建成歷時近米地底，從構想到建成歷時近20年，年，花了花了60億瑞士法郎，吸引億瑞士法郎，吸引80個國家個國家5000名科學家參與。名科學家參與。 在這個大型強子對撞器內那條在這個大型強子對撞器內那條27公里長的圓形隧道，公里長的圓形隧道，超導磁鐵會把質子和離子，加速至接近光速，然后相撞，超導磁鐵會把質子和離子，加速至接近光速，然后相撞，在極細微空間爆發(fā)十萬倍太陽溫度的超級高溫。這一刻在極細微空間爆發(fā)十萬倍太陽溫度的超級高溫。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的質子和中子。后形成組成物質的質子和中子。 ATLAS是安裝在環(huán)形隧道上的是安裝在環(huán)形隧道上的4個巨大實驗室中的個巨大實驗室中的一個，附在環(huán)形隧道周圍的探測器將監(jiān)視撞擊過程。發(fā)一個，附在環(huán)形隧道周圍的探測器將監(jiān)視撞擊過程。發(fā)言人彼得言人彼得詹尼詹尼(Peter Jenni)說：說：“我們將進入物理學的我們將進入物理學的全新領域。全新領域。9月月10日是一個非常重要的里程碑。日是一個非常重要的里程碑。” 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出霍 耳 效 應4

43、. 霍耳效應霍耳效應上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 在一個通有電流的導體板上，垂直于板面施加在一個通有電流的導體板上，垂直于板面施加一磁場，則平行磁場的兩面出現(xiàn)一個電勢差，這一一磁場，則平行磁場的兩面出現(xiàn)一個電勢差，這一現(xiàn)象是現(xiàn)象是18791879年美國物理學家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳年美國物理學家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應。該電勢差稱為效應。該電勢差稱為霍耳電勢差霍耳電勢差 。dBIbHUdIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓+qdv+ + + + + - - - - -eFmF上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出dIB

44、RUHH霍耳電壓霍耳電壓 實驗指出，在磁場不太強時，霍耳電壓與電流強度實驗指出，在磁場不太強時，霍耳電壓與電流強度I 和磁感應強度和磁感應強度 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，僅與材料有關。稱為霍耳系數，僅與材料有關。nqR1Hn 單位體積的載流子數單位體積的載流子數上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 導體中運動的載流子在磁場中受到洛侖茲導體中運動的載流子在磁場中受到洛侖茲力發(fā)生偏轉，正負載流子在板的上下底面積累力發(fā)生偏轉，正負載流子在板的上下底面積累了正負電荷，建立了電場了正負電荷，建立了電場 EH ，

45、形成電勢差。，形成電勢差。 Udb1V2VmFveFHEBI金屬金屬 Udb1V2VmFveFHEBI 半導體半導體找不同找不同上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 導體中載流子的平均定向速率為導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，上下兩板形成電勢差后，載流，上下兩板形成電勢差后，載流子還受到一個與洛侖茲力方向相反的電場力子還受到一個與洛侖茲力方向相反的電場力qEH ，兩力平衡時有：兩力平衡時有：/HHqvBqEqUb BI 設載流子濃度為設載流子濃度為n，則電流強，則電流強度與載流子定向速率的關系為：度與載流子定向速

46、率的關系為：qnbdvI Ivqnbd1HBIUvBbnq d1HRnqn 單位體積的載流子數單位體積的載流子數上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出mFevB金金屬屬薄薄板板dIB vmFHEeFeHFeE當當 時時emFF霍耳電場霍耳電場恒定電勢差恒定電勢差HEvB1V2Vb12UVVvBb 厚厚寬寬d:沿沿 的方向的方向B Ien bdvIBUned 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出金屬薄板dIB vmFHEeF1V2Vb12UVVvBb 設單位體積內自設單位體積內自由電子的數目由電子的數目nIen bdv

47、IBUned H1Rne霍耳霍耳系數系數若載流子為若載流子為帶正電帶正電的的qnqRH1則霍爾系數為則霍爾系數為d:沿沿 的方向的方向B QItenVtenvtstenvsN上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出mIBfevBns 金屬導體導載流子為金屬導體導載流子為電子電子，故上側積累負電荷故上側積累負電荷; QenVenvtsIenvstttfevB 負負16上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出2HnehR ), 2 , 1(n 量子霍爾效應量子霍爾效應（1980年）年）051015200300400100T/B

48、mV/HU2n3n4nIURHH 霍耳電阻霍耳電阻上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出理論曲線理論曲線 量子霍耳效應量子霍耳效應BR2 m3 m4 m1 m 崔琦、施特默：更強崔琦、施特默：更強磁場下磁場下 11112345m 、 、 、 克里青：半導體在克里青：半導體在低溫強磁場低溫強磁場 m=1、2、3、 19851985年年 諾貝爾物理獎諾貝爾物理獎 1998年年 諾貝爾物理獎諾貝爾物理獎實驗曲線實驗曲線物理物理知識知識上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下

49、頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 2013年年4月月來自清華大學、中來自清華大學、中科院物理所的科學家團隊首次實驗科院物理所的科學家團隊首次實驗觀測到了觀測到了“”。這一成果曾在美國這一成果曾在美國科學科學雜志發(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器件，進而低能耗晶體管和電子學器件，進而推動信息技術的進步。此前，整數推動信息技術的進步。此前，整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應量子霍爾效應、分數量子霍爾效應

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，而獎，而量子反?；魻栃徽J為可量子反常霍爾效應被認為可能是霍爾效應家族的最后一個重要能是霍爾效應家族的最后一個重要成員成員。 薛其坤在新聞發(fā)布會上薛其坤在新聞發(fā)布會上 上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出I+ + +- - -P 型半導體型半導體+-HUBmFdv霍耳效應的應用霍耳效應的應用2）測量磁場）測量磁場dIBRUHH霍耳電壓霍耳電壓1）判斷半導體的類型）判斷半導體的類型mF+ + +- - - N 型半導體型半導體HU-BI+-dv上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁

51、下頁下頁 返回返回 退出退出 例：有載流金屬導體中出現(xiàn)霍耳效應，測得兩底面的例：有載流金屬導體中出現(xiàn)霍耳效應，測得兩底面的電勢差為電勢差為Ua - Ub = 0.310-3 V，則圖中所加勻強磁場的則圖中所加勻強磁場的方向為方向為 。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：如導體改用載流子是正的，其余不變，情況如何？討論：如導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上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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（導電流體）以使高溫等離子體（導電流體）以1000ms1000ms-1-1的高速進入的高速進入發(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，結果在發(fā)電通道兩側的電極上產生電勢差。不斷提供用，結果在發(fā)電通道兩側的電極上產生電勢差。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)電通道導電氣體NS上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出 導電氣體導電氣體發(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 霍耳效應已在測量技術、電子

53、技術、計算技霍耳效應已在測量技術、電子技術、計算技術等各個領域中得到越來越普遍的應用。術等各個領域中得到越來越普遍的應用。上頁上頁 下頁下頁 返回返回 退出退出上頁上頁 下頁下頁 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的磁場中，磁場垂直通過銅片。如果銅片載的磁場中，磁場垂直通過銅片。如果銅片載有電流有電流200A，求呈現(xiàn)在銅片上下兩側間的霍耳電勢，求呈現(xiàn)在銅片上下兩側間的霍耳電勢差有多大？差有多大？32332839.0106.0108.4100.064nmm霍耳電勢差霍耳電勢差 解解： 每個銅原子中只有一個自由電子，故單位每個銅原子中只有一個自由電子，故單位體積內的自由電子數體積內的自由電子數n即等于單位體積內的原子數。即等于單位體積內的原子數。已知銅的相對原子質量為已知銅的相對原子質量為6464，1 1mol銅（銅（0.0640.064kg）有有6.06.010102323個原子（阿伏加得羅常數）銅的密度為個原子（阿伏加得羅常數）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