Практичне застосування сили Лоренца

3.1 .Циклічні прискорювачі частинок

Сила Лоренца знаходить велике застосування у практиці - у роботі циклічних прискорювачів заряджених частинок, з допомогою яких отримують пучки іонів великих енергій. Циклотрон вперше було побудовано 1930 р. е. Лоуренсом. На протонному синхротроні, запущеному 1974 р. у лабораторії ім. Фермі (під Чикаго), отримують протони до енергій в 500 ГеВ (500 · 10 9 е). 999998 С).

Найбільші значення індукції магнітного поля, здійснювані в синхрофазотронах, вбираються у 1,5-2 Тл. Магніт синхрофазотрону в Дубні важить 36 000 тонн.

Розглянемо принцип роботи циклічних прискорювачів заряджених частинок. Частинки сприскуються в простір між дуантами (частинами диска або невисокого циліндра, що розрізається навпіл), де створюється вакуум від 10 -5 до 10 - 6 мм рт. ст. (Рис. 13).

Рис.13. Вид дуантів, у яких рухаються заряджені частки

Перпендикулярно площі дуантів прикладається магнітне поле. Прискорення частинок відбувається під дією електричного поля, яке потрапляє на дуанти з частотоюω;E=E0 sin ω t(рис. 14)

Рис.14. До розрахунку траєкторії руху заряду:

а) характер зміни електричного поля на дуантах;

б) траєкторія руху заряду в циклотроні

Усередині дуантів частинки рухаються коло, а проміжку між дуантами вони прискорюються під впливом електричного поляЕ; їх швидкість зростає. Тому розрахунок і радіус кола період обертання залишається постійним.

Період зміни електричного поля; потрібно, щоб він збігся з періодом обертання частки в дуантахТел =Твр. Але зі зростанням швидкості зростає і маса частинок іТвр змінюється. Потрібно або:

1) змінюватиТел, тобто. частоту прискорюючої напруги, що роблять у фазотронах або синхроциклотронах,

2) змінюватиВ- індукцію магнітного поля так, щоб m/В залишалася постійним, що роблять у синхротронах для прискорення електронів.

У синхрофазотронах при зростанні маси частинки змінюють частоту прискорюючої напруги ω (Тел) і індукцію магнітного поля так, щоб радіус колаRзалишався постійним.

3.2. Мас-спектрометрія

Мас-спектрометрія – метод поділу атомів або груп атомів залежно від значення їх питомого заряду q/m. Робота мас-спектрометра заснована за формулою

. У однорідному магнітному полі іони з різними q/m рухаються по колам різних радіусів R. Залежно від значення q/m іони потрапляють різні місця фотопластинки і залишають слід як вузькою смужки - спектральної лінії. По положенню лінії знаходять величину q/m (рис.15)

Мал. 15. Блок - схема мас - спектрометра

Щоб швидкість у всіх іонів, що влітають у магнітне поле, була однаковою, перед цим іони пропускають через селектор (рис. 16)

Рис.16. Селектор швидкостей

Селектор швидкостей є вузьким конденсатором, який поміщений в магнітне полеВс. Електричне полеЕз усередині конденсатора перпендикулярно магнітному полюВс. ПоляЕз іВс спрямовані так, щоб відхиляти іони в різних напрямках. Через селектор пролітають лише такі іони, для яких

Інші іони відхиляються та потрапляють на обкладки конденсатора.

Невідхиленими залишаються іони зі швидкістю незалежно від їхнього заряду та маси. Крімфотопластинки пучки іонів можна реєструвати електрично. Вид мас - спектра ацетилену С2Н4 показаний на рис.17.

Метод мас-спектрометрії був вперше застосований Дж. Дж. Томсоном (1913). Зараз це універсальний метод, який широко застосовується у фізиці, хімії, біології, геології та техніці для точного визначення мас атомів та молекул, енергії дисоціації та іонізації, поділу та аналізу ізотопів, ідентифікації речовин, аналізу багатокомплектних сумішей.

Завдання: Чим відрізняються рухи частинок?

Контрольні питання:

1. Яка траєкторія руху заряду у циклічному прискорювачі? На яких ділянках зростає швидкість заряду?

2. Чому в циклічних прискорювачах необхідно змінювати період електричного поляТел або індукціюВпри більших швидкостях частинок?

3. Як працює селектор швидкостей іонів у мас-спектрографі?

---