Практическое применение силы Лоренца

3.1 .Циклические ускорители частиц

Сила Лоренца находит большое применение в практике - в работе циклических ускорителей заряженных частиц, с помощью которых получают пучки ионов больших энергий. Циклотрон впервые был построен в 1930 г. Э. Лоуренсом. На протонном синхротроне, запущенном в 1974 г. в лаборатории им. Ферми (под Чикаго), получают протоны до энергий в 500 ГэВ (500·10⁹э) .Скорость протонов, обладающих такой энергией, отличается то скорости света в вакууме менее чем на 0,0002% ( т. е. υ = 0,999998 С ).

Наибольшие значение индукции магнитного поля, осуществляемые в синхрофазотронах, не превосходят 1,5-2 Тл. Магнит синхрофазотрона в Дубне весит 36000 тонн.

Рассмотрим принцип работы циклических ускорителей заряженных частиц. Частицы вспрыскиваются в пространство между дуантами (частями диска или невысокого цилиндра, разрезаемого пополам), где создается вакуум от 10^-5 10 ^{– 6 мм рт. ст. (рис. 13).}

Рис.13. Вид дуантов, в которых движутся заряженные частицы

Перпендикулярно площади дуантов прикладывается магнитное поле . Ускорение частиц происходит под действием электрического поля , которое попадает на дуанты с частотой ω; E = E₀ sin ω t (рис. 14)

Рис.14. К расчету траектории движения заряда:

а) характер изменения электрического поля на дуантах;

б) траектория движения заряда в циклотроне

Внутри дуантов частицы движутся по окружности, а в промежутке между дуантами они ускоряются под действием электрического поля Е; их скорость υ возрастает. Поэтому расчет и радиус окружности период же вращения остается постоянным .

Период изменения электрического поля ; нужно, чтобы он совпал с периодом вращения частицы в дуантах Т_эл = Т_вр. Но с ростом скорости растет и масса частиц и Т_вр изменяется. Нужно либо :

1) изменять Т_эл , т.е. частоту ускоряющего напряжения, что делают в фазотронах или синхроциклотронах,

2) изменять В- индукцию магнитного поля так, чтобы m/В оставалась постоянным, что и делают в синхротронах для ускорения электронов.

В синхрофазотронах при возрастании массы частицы изменяют и частоту ускоряющего напряжения ω (Т_эл) и индукцию магнитного поля так, чтобы радиус окружности R оставался постоянным.

3.2 . Масс- спектрометрия

Масс- спектрометрия – метод разделения атомов или групп атомов в зависимости от значения их удельного заряда q/m. Работа масс- спектрометра основана по формуле

. В однородном магнитном поле ионы с различными q/m движутся по окружностям различных радиусов R. В зависимости от значения q/m ионы попадают на разные места фотопластинки и оставляют след в виде узкой полоски - спектральной линии. По положению линии находят величину q/m ( рис.15 )

Рис. 15. Блок – схема масс - спектрометра

Чтобы скорость у всех ионов, влетающих в магнитное поле, была одинаковой, перед этим ионы пропускают через селектор (рис. 16)

Рис.16. Селектор скоростей

Селектор скоростей представляет собой узкий конденсатор, который помещен в магнитное поле В_с. Электрическое поле Е_с внутри конденсатора перпендикулярно магнитному полю В_с. Поля Е_с и В_с направлены так, чтобы отклонять ионы в разных направлениях. Через селектор пролетают только такие ионы, для которых

Остальные ионы отклоняются и попадают на обкладки конденсатора.

Неотклоненными остаются ионы со скоростью независимо от их заряда и массы. Помимо фотопластинки пучки ионов можно регистрировать электрически. Вид масс – спектра ацетилена С₂Н₄ показан на рис.17.

Метод масс- спектрометрии был впервые применен Дж. Дж. Томсоном (1913). Сейчас это универсальный метод, который широко применяется в физике, химии, биологии, геологии и технике для точного определения масс атомов и молекул, энергии диссоциации и ионизации, разделения и анализа изотопов, идентификации веществ, анализа многокомплектных смесей.

Задание:Чем отличаются движения частиц?

Контрольные вопросы:

1. Какова траектория движения заряда в циклическом ускорителе? На каких участках происходит возрастание скорости заряда?

2. Почему в циклических ускорителях необходимо изменять период электрического поля Т_эл или индукцию В при больших скоростях частиц?

3. Как работает селектор скоростей ионов в масс- спектрографе?