Определение удельного заряда частицы методом отклонения в магнитном поле
Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебниках: 1. Трофимова Т.И. Курс физики. Гл. 14, §115. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 23, §23.3.Запустите программу «Электричество и магнетизм». Выберите: «Масс-спектрометр». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
· Знакомство с компьютерным моделированием движения заряженных частиц в магнитном поле.
· Ознакомление с принципом работы масс-спектрометра.
· Определение удельного заряда частиц.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
1. СИЛА ЛОРЕНЦА- сила, действующая на движущуюся со скоростью v в однородном магнитном поле с индукцией В частицу с зарядом q:
(1)
Модуль этой силы равен
, (2)
где a- угол между векторами и . Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы, сообщает ей только нормальное ускорение и вызывает искривление траектории частицы.
Если частица влетает в однородное магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции, то частица будет двигаться по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона динамики:
. (3)
УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДОМ ЧАСТИЦЫ называется отношение заряда частицы к её массе. Тогда из формулы (3) удельный заряд будет равен:
. (4)
Период обращения частицы равен
, (5)
и не зависит от скорости.
МАСС-СПЕКТРОМЕТРОМ называется прибор, для разделения ионизованных молекул и атомов (изотопов) по их массам, основанный на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме.
Простейшая модель масс-спектрографа показана на рис. 1.
Рис. 1.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:
1.Подведите маркер мыши к движку регулятора величины магнитной индукции, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок, установив числовое значение В, взятое из таблицы 1 для вашей бригады.
2. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора скорости, установите минимальное значение 103 м/с.
3. Нажмите мышью кнопку «Изотопы С12-С14»
4. Нажмите мышью кнопку «Старт» и синхронно секундомер. Проследите за движением двух изотопов в магнитном поле модельного масс-спектрометра и по секундомеру определите время этого движения.
5. Запишите в таблицу 2 значения радиусов окружностей, по которым двигались эти изотопы (они показаны красным и синим цветом в правом углу окна) и время движения изотопов в вакуумной камере масс-спектрометра.
6. Последовательно увеличивая скорость частиц на 103м/с, проделайте п.п.4-5 ещё 9 раз и заполните таблицу 2.
7. Нажмите мышью кнопку «Изотопы Ne20-Ne22 », проведите измерения п.п.4-6 и заполните таблицу 3.
8. Проведите аналогичные измерения с изотопами урана и неизвестного химического элемента и заполните таблицы 4 и 5.
Таблица 1. Значения магнитной индукции В
Номер бригады | ||||||||
В, мТл (табл.2,3) | ||||||||
В, мТл (табл.4,5) | 9,0 | 9,1 | 9,2 | 9,3 | 9,4 | 9,5 | 9,6 | 9,7 |
Таблицы 2-5. Результаты измерений и расчётов
В = _______
v×103,м/с | ||||||||||
R1, см | ||||||||||
R2, см | ||||||||||
Т1/2, с | ||||||||||
q1/m1, Кл/кг q2/m2, Кл/кг | ||||||||||
Табличные значения: q1/m1 = q2/m2= |
ОБРАБОТК РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА:
1. Вычислите по формуле (4) удельные заряды изотопов углерода, неона, урана и неизвестного химического элемента и запишите полученные значения в соответствующие таблицы.
2. Используя справочные материалы по физике и химии, определите табличные значения удельных зарядов исследованных изотопов и сравните их с полученными в опыте.
3. Постройте график зависимости времени пролёта изотопов в камере масс-спектрометра от их скорости и сделайте выводы по результатам анализа этого графика.
4. Проведите оценку погрешностей проведённых измерений.
ПОЛЕЗНЫЕ СВЕДЕНИЯ:
Атомная единица массы (а.е.м.) = 1,660×10-27 кг.
Элементарный заряд е = 1,602×10-19 Кл.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Как определяется направление действия силы Лоренца?
2. Почему сила Лоренца не совершает работы?
3. Как будет двигаться заряженная частица в магнитном поле, если угол a между векторами и меньше p/2?
4. Ионы двух изотопов с массами m1 и m2 , имеющие одинаковый заряд и прошедшие в электрическом поле одинаковую ускоряющую разность потенциалов, влетают в магнитное поле перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Найдите отношение радиусов окружностей, по которым будут двигаться ионы в магнитном поле.
5. Определите, во сколько раз изменится радиус окружности, по которой заряженная частица движется в однородном магнитном поле, если её кинетическую энергию увеличить в n раз?
6. Определите удельный заряд иона, который в масс-спектрометре совершает один оборот за 628 мкс в однородном магнитном поле с индукцией 50 мТл.
7. Пучок ионов, влетающих в вакуумную камеру масс-спектрометра перпендикулярно силовым линиям однородного магнитного поля, расщепляется (рис.2). Определите, какая траектория соответствует: а) большему импульсу,
Рис.2
если ионы имеют одинаковые заряды, но разные импульсы; б) большему заряду, если частицы имеют одинаковые импульсы, но разные заряды?
8. Два электрона движутся в одном и том же однородном магнитном поле по орбитам с радиусами R1 R2 (R1> R2). Сравните их угловые скорости.
9. В однородном магнитном поле движутся по окружностям протон и a-частица, имея равные кинетические энергии. Какая из этих частиц будет иметь орбитальный магнитный момент и период вращения больше и во сколько раз?
10. Заряженная частица влетела в однородное магнитное поле под углом a < p/2 между векторами и . Определите, отличны ли от нуля тангенциальная и нормальная составляющие ускорения частицы?
11. Заряженная частица летит прямолинейно и равномерно в однородном электромагнитном поле, представленном суперпозицией взаимно перпендикулярных электрических (напряжённостью Е) и магнитных (индукцией В) полей. Найдите скорость движения частицы.
12. Заряженная частица вращается в однородном магнитном поле с индукцией В по окружности радиуса R. Параллельно магнитному полю возбуждается электрическое поле напряжённостью Е. Определите, сколько времени должно действовать электрическое поле, чтобы кинетическая энергия частицы возросла в два раза?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8