Что называют удельным зарядом частицы с помощью каких приборов они определяются кратко

Обновлено: 02.07.2024

Удельным зарядом частицы называется физическая величина, равная отношению заряда частицы к её массе - q/m. Соответственно, удельный заряд электрона, это физическая величина, равная отношению заряда электрона к его массе - e/m. Удельный заряд определяют, изучая движение частиц в электрическом и магнитном полях.

Что называется удельным зарядом электрона и как его можно найти?

Удельным зарядом называется отношение заряда частицы к ее массе е/m. Определив значение удельного заряда и величину заряда, подсчитывают массу частиц. Таким методом подсчитана масса электрона и других элементарных частиц. Одним из методов определения удельного заряда является метод магнетрона.

В чем состоит метод магнетрона для определения?

Сущность метода магнетрона заключается в том, что двухэлектродная электронная лампа с цилиндрическими коаксиальными катодом и анодом помещается в магнитное поле, создаваемое, например, соленоидом так, что- бы ось лампы совпадала с направлением магнитного поля (рис. 1).

Чему равен удельный заряд протона?

Электрический заряд протона положителен, по абсолютной величине он равен заряду электрона 1,6021892 (46)·10-19Кл (или 4,803242(14)·10-10 СГСЭ ед. заряда); удельный заряд протона очень высок - 9,578756(27)·107 Кл/кг.

Что называют удельным зарядом носителя тока каков удельный заряд электрона?

Электрон является носителем элементарного отрицательного заряда е (e = –1,6? 10—19 Кл). Отношение его заряда к массе e/m называется удельным зарядом электрона. Удельный заряд может быть экспериментально определён различными методами.

В чем суть метода магнетрона для определения отношения?

Сущность метода магнетрона заключается в том, что двухэлектродная электронная лампа с цилиндрическими коаксиальными катодом и анодом помещается в магнитное поле, создаваемое, например, соленоидом так, чтобы ось лампы совпадала с направлением магнитного поля.

Что называется удельным зарядом частицы?

Как движутся электроны в магнетроне в отсутствие магнитного поля?

В магнетроне магнитное и электрическое поля взаимно перпендикулярны. Если магнитное поле отсутствует, то электроны под действием электрического поля движутся прямолинейно от катода к аноду (рисунок 2.4, а) и в анодной цепи возникает анодный ток, зависящий от анодного напряжения и тока накала.

Кто определил заряд электрона?

Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГС); наиболее точно он был измерен в независимых экспериментах Р. Милликена в 1909-1911 гг.

Какие существуют способы определения удельного заряда электрона?

Если известна начальная скорость, и она может быть определенным способом задана в эксперименте, то для определения e / m достаточно измерить величину отклонения частицы либо в электрическом, либо в магнитном полях и по формулам (10) или (14) рассчитать e / m . .

Какой заряд у протона и нейтрона?

Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы). Протон (p) — частица, имеющая заряд +1 и относительную массу, равную 1. Нейтрон (n) — частица без заряда с относительной массой 1. К элементарным частицам относятся также электроны (e), которые образуют электронную оболочку атома.

Какой электрический заряд у протона?

Какой знак имеет заряд протона положительный отрицательный?

Ответ: У протона положительный; нейтрон не имеет заряда; у электрона отрицательный.

Откуда берутся носители тока в металлах?

Что является носителем электрического тока в металлах?

Электроны в металлах

В металлах и веществах с металлическим типом проводимости, к которым относятся многие другие вещества — графит, многие карбиды и нитриды переходных металлов, носителями заряда являются электроны.

Что является носителем тока?

НОСИТЕЛИ ТОКА — электрически заряженные частицы в веществе, обусловливающие его электрическую проводимость. В металлах — это свободные электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в плазме — ионы и электроны.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

6. Определение удельного заряда. Ускорители заряженных частиц.

Удельный заряд электрона (т. е. отношение е/т ) был впервые измерен Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной (на рис. 74.1). Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно. Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок практически однородным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать перпендикулярное к электрическому полю, однородное магнитное поле (область этого поля обведена на рисунке - 3.36. пунктирной окружностью). При выключенных полях, пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности, вызывало смещение пучка в вертикальном направлении.

Включение магнитного поля вызывает действие на движущийся электрон силы Лоренца, которое искривляет траекторию движения:

evB = mv 2 /R.

Отсюда, по следу на экране, можно было измерить вызванное магнитным полем смещение пучка –R. Затем, одновременно с магнитным полем, возбуждается между пластинами B электростатическое поле напряженности Е и такого направления, чтобы электрическая сила еЕ, действующая на электрон, была направлена противоположно магнитной силе (в нашем случае электрическая сила должна быть направлена вверх). Электрическое поле подбиралось такой величины, чтобы пучок электронов вовсе не испытывал отклонения, что будет иметь место при равенстве по величине электрической и магнитной сил: eE= - evВ. Подставляя это значение v, найдем:

е/m = E/В 2 R

Таким образом, по напряженности полей Е и В и радиусу кривизны R был определен Дж.Дж.Томсоном удельный заряд электрона - е/m.

Действие магнитных полей на движущиеся заряды используется также в работе ускорителей. Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки заряженных частиц с высокими энергиями (электронов, протонов, мезонов и т.д.).

Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, энергией, сообщаемой частицам, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный по времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных — траекториями являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим -полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа. Заряженная частица проходит поле однократно: заряд Q, проходя разность потенциалов (φ₁-φ₂), приобретает энергию W=Q(φ₁-φ₂), Таким способом частицы ускоряются до «10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т. д.

Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков МэВ, электроны — до десятков ГэВ.

Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Его принципиальная схема приведена на рисунке - 3.38. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдя в дуант 1, опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы.

частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона. Циклотроны позволяют ускорять протоны до эне ргий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью. Это приводит к увеличению периода обращения он пропорционален массе), и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при Е = 0,5 МэВ m = 2m₀, при Е=10 МэВ т = 28т₀).

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907—1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, a-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты).

Синхротрон — циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.

Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в которых объединяются свойства фазотрона и синхротрона. В них управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.

+Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W> 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20—50 МэВ.

И электрическое и магнитное поля действуют на движущиеся в них заряженные частицы. Поэтому заряженная частица, влетающая в электрическое или магнитное поле, отклоняется от своего первоначального направления движения (изменяет траекторию), если только это направление не совпадает с направлением поля. В последнем случае электрическое поле только ускоряет (или замедляет) движущуюся частицу, а магнитное поле вообще не действует на нее, Рассмотрим практически наиболее важные случаи, когда заряженная частица влетает в однородное поле, созданное в вакууме имея направление, перпендикулярное полю.

1. Частица в электрическом поле. Пусть частица, имеющая заряд и массу влетает со скоростью в электрическое поле плоского конденсатора (рис. 235, а). Длина конденсатора

равна напряженность поля равна Предположим для определенности, что частица является электроном Тогда, смещаясь в электрическом поле вверх, она пролетит через конденсатор по криволинейной траектории и вылетит из него, отклонившись от первоначального направления на отрезок у. Рассматривая смещение у как проекцию перемещения на ось равномерно ускоренного движения частицы под действием силы поля

где напряженность электрического поля, а — ускорение, сообщаемое частице полем, время, в течение которого совершается смещение у. Так как, с другой стороны, есть время равномерного движения частицы вдоль оси конденсатора с постоянной скоростью то

Подставляя это значение ускорения в формулу (32), получим соотношение

представляющее собой уравнение параболы. Таким образом, заряженная частица движется в электрическом поле по параболе; величина отклонения частицы от первоначального направления обратно пропорциональна квадрату скорости частицы.

Отношение заряда частицы к ее массе называется удельным зарядом частицы.

2. Частица в магнитном поле. Пусть та же частица, которую мы рассматривали в предыдущем случае, влетает теперь в магнитное поле напряженностью (рис. 235, б). Силовые линии поля, изображенные точками, направлены перпендикулярно плоскости рисунка (на читателя). Движущаяся заряженная частица представляет собой электрический ток. Поэтому магнитное поле отклонит частицу вверх от ее первоначального направления движения (следует учесть, что направление движения электрона противоположно направлению тока). Согласно формуле Ампера (29), сила, отклоняющая частицу на любом участке траектории (участке тока) равна

где время, за которое заряд проходит по участку Поэтому

Учитывая, что получим

Сила называется лоренцевой силой. Направления и взаимно перпендикулярны. Направление лоренцевой силы можно определять по правилу левой руки, подразумевая при этом под направлением тока I направление скорости и учитывая, что для положительно заряженной частицы направления совпадают, а для отрицательно заряженной частицы эти направления противоположны.

Будучи перпендикулярна скорости лоренцева сила изменяет только направление скорости движения частицы, не изменяя величины этой скорости. Отсюда следуют два важных вывода:

1. Работа лоренцевой силы равна нулю, т. е. постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей (не изменяет кинетической энергии частицы).

Напомним, что в отличие от магнитного поля электрическое поле изменяет энергию и величину скорости движущейся частицы.

2. Траектория частицы является окружностью, на которой частицу удерживает лоренцева сила, играющая роль центростремительной силы. Радиус этой окружности определим, приравнивая между собой лоренцеву и центростремительную силы:

Таким образом, радиус окружности, по которой движется частица, пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален напряженности магнитного поля.

На рис. 235, б видно, что отклонение у частицы от ее первоначального направления движения уменьшается с ростом радиуса Из этого можно заключить, учитывая формулу (35), что отклонение частицы в магнитном поле уменьшается при увеличении скорости частицы. При увеличении напряженности поля отклонение частицы увеличивается. Если бы в случае, изображенном на рис. 235, б, магнитное поле было более сильным или охватывало более обширную область, то частица не смогла бы вылететь из этого поля, а стала бы все время двигаться по окружности радиусом Период обращения частицы равен отношению длины окружности к скорости частицы

или, учитывая формулу (35),

Следовательно, период обращения частицы в магнитном пом не зависит от ее скорости.

С помощью рассмотренных закономерностей движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях можно экспериментально определять удельный заряд и массу этих частиц. Именно таким путем были впервые определены удельный заряд и масса электрона. Принцип определения состоит в следующем. Поток электронов (например, катодные лучи) направляют в электрическое и магнитное поля, ориентированные так, что они отклоняют этот поток в противоположных направлениях. При этом подбирают такие значения напряженностей чтобы отклонения, вызванные силами электрического и магнитного полей, полностью взаимно компенсировались и электроны летели прямолинейно. Тогда, приравнивая между собой выражения электрической (32) и лоренцевой (34) сил, получим

По формуле (37) можно рассчитывать скорость электронов, поскольку значения и известны.

После того как достигнута полная компенсация отклонений, электрическое поле выключают. В оставшемся магнитном поле электроны начинают двигаться по окружности, радиус которой, согласно формуле (35), равен

Значение можно рассчитать по величине отклонения у электрона в магнитном поле и по ширине х области, охваченной этим полем (см. рис. 235, б). В самом деле, из рисунка видно, что Следовательно,

Из соотношений (37) и (38) получается после простых преобразований формула для вычисления удельного заряда электрона:

Так как то масса электрона оказывается равной

Подобным же образом можно определять удельный заряд и массу любых частиц.

Подчеркнем, что приведенное значение массы электрона соответствует массе покоя. Точные измерения, полученные описанным методом, показали, что при больших скоростях движения (сравниваемых со скоростью света) масса электрона заметно возрастает с увеличением скорости (см. § 20).

Приборы и принадлежности: Электронно- лучевой прибор с встроенным соленоидом, блок питания (источник постоянного тока), миллиамперметр, реостат, ключ.

Удельным зарядом называется отношение заряда электрона к его массе . Это значение можно определить рассматривая движение электрона во внешних электрическом и магнитном полях (методы Томсона, Буша, масс- спектрограф). Силы, действующие на электрон в этих полях равны соответственно:

где - напряженность электрического поля; - индукция магнитного поля; е, - заряд и скорость электрона.

Направление силы Лоренца (2), действующей на заряд со стороны магнитного поля определяется правилом левой руки (или правилом векторного произведения). В зависимости от угла между траекторией движения заряженной частицы (в частности электрона) может быть прямая ( при =0 0 ), окружность (при =90 0 ) или спираль, т.к. сила Лоренца выполняет роль центростремительной силы:

где r- радиус кривизны траектории.

Для =90 0 из (3) получаем:

Скорость электрона, ускоренного разностью потенциалов U (например, напряжением катод- анод в электроннолучевой трубке) при V С (где С- скорость света в вакууме) можно определить из закона сохранения энергии, приравняв работу сил электрического поля кинетической энергии электрона:

Тогда из (4) и (5) получим:

Основной частью установки является специальный осциллограф, в котором часть электроннолучевой трубки ЭЛТ охвачена соленоидом L, так, что магнитное поле соленоида перпендикулярно скорости электронов в электроннолучевой. Постоянное напряжение между катодом и анодом трубки определяет скорость электронов согласно равенству (5).

В рабочей схеме рис.1 реостат R служит для регулировки силы токаI в соленоиде, ключ позволяет размыкать цепь и менять направление тока I.

При замыкании электрической цепи магнитное поле соленоида приводит к смещению электронного луча на экране осциллографа вверх или вниз, в зависимости от направления I тока. Рассмотрим это подробнее.

Пусть в отсутствие тока в соленоиде электроны попадают в точку 0 в центре экрана ЭЛТ (рис.2).

где m₀ - магнитная постоянная,

N- число витков соленоида,

l_с- длина соленоида,

a_с - коэффициент рассеяния соленоида.

Смещение у=00 1 на экране ЭЛТ связано с радиусом кривизны траектории r (см. рис. 2), изD ДС

откуда получаем r:

Подставив (7) и (8) в (6) получим общую формулу для определения удельного заряда электрона в виде:

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проверить электрическую схему установки по рис.1

Ключ К разомкнуть. Ползунок реостата R поставить в среднее положение.

3. После 5 минутного прогрева приборов вывести в центр экрана ЭЛТ светящуюся точку средней яркости: (ручки Х, У, яркость).

4. Замкнуть ключ К. Установить с помощью реостата Rзначение тока соленоида I₁_, (значения токов задает преподаватель). Записать в таблицу 1 значение смещения у₁ на экране ЭЛТ и, измерив направление тока, -смещение у₁ 1 . Такие же измерения выполнить для двух других токов – I₂ , I₃. Повторить измерения еще два раза для каждого значения I_k_.

Читайте также: