Движение заряженных частиц во взаимно перпендикулярных полях. Определение удельного заряда электрона. Циклотрон. Селектор скоростей. Масс-спектрометр.

Движение заряженных частиц во взаимно перпендикулярных полях:

Если v0>0 и направлена по оси y, то траекторией является растянутая

трохоида с максимальным отклонением.

Если v0<0 и направлена по оси -у, то траекторией будет сжатая трохоида.

Когда магнитное и электрическое поля мало отличаются от равномерных, траектории движения электронов близки к трохоидам. V0 – скорость электрона после входа в анод.

Определение удельного заряда электрона: определение удельного заряда электрона методом магнетрона.

В результате термоэлектронной эмиссии электроны вылетают из раскаленного катода и, не долетая до анода, образуют вокруг катода электронное облако (пространственный заряд). При небольших анодных напряжениях U сила анодного тока J растет с ростом напряжения. С увеличением напряжения U электронное облако вокруг катода постепенно рассасывается, все большая часть электронов достигает анода, и ток J возрастает. Этот режим называется режимом пространственного заряда. Начиная с некоторого напряжения U = U_{нас ,} наступает насыщение анодного тока. Сняв вольт-амперную характеристику диода и определив величину коэффициента a в законе “трех вторых”: J=aU^3/2, можно вычислить удельный заряд электрона по формуле:

Второй метод определения отношения e/m для электрона получил название "метода магнетрона". Это название связано с тем, что применяемая в методе конфигурация электрического и магнитного полей напоминает конфигурацию полей в магнетронах – генераторах электромагнитных колебаний в области сверхвысоких частот.

Циклотрон — резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.

Принцип действия:

В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой).

Селектор скоростей:

В целом ряде устройств, например, в масс-спектрометрах, необходимо выполнить предварительную селекцию заряженных частиц по скоростям. Этой цели служат так называемые селекторы скоростей.

 

В простейшем селекторе скоростей заряженные частицы движутся в скрещенных однородных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле создается между пластинами плоского конденсатора, магнитное – в зазоре электромагнита. Начальная скорость заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам. На заряженную частицу действуют две силы: электрическая сила qE и магнитная сила Лоренца qυB. При определенных условиях эти силы могут точно уравновешивать друг друга. В этом случае заряженная частица будет двигаться равномерно и прямолинейно. Пролетев через конденсатор, частица пройдет через небольшое отверстие в экране.

Условие прямолинейной траектории частицы не зависит от заряда и массы частицы, а зависит только от ее скорости:

 

Масс-спектрометры используются для анализа органических и неорганических соединений. Органические вещества по большей части представляют собой многокомпонентные смеси индивидуальных компонентов. При помощи масс-спектрометра узнают, что это за компоненты и сколько каждого соединения содержится в смесь.

Принцип работы.

Нейтральный атом не подвержен действию электрического и магнитного поля. Однако, если отнять у него или добавить ему один и более электронов, то он превратится в ион, характер движения которого в этих полях будет определяться его массой и зарядом. Строго говоря, в масс-спектрометрах определяется не масса, а отношение массы к заряду. Если заряд известен, то однозначно определяется масса иона, а значит масса нейтрального атома и его ядра.

Этап 1: Ионизация

Образование положительно заряженного иона, путем выбивания одного или нескольких электронов из атома (масс-спектрометры всегда работают с положительными ионами).

Этап 2: Ускорение

Ионы ускоряются таким образом, чтобы у всех была одна и та же кинетическая энергия.

Этап 3: Отклонение

Ионы отклоняются от траектории магнитным полем согласно их массам. Чем легче ион, тем больше он отклоняется. Величина отклонения также зависит от числа положительных зарядов в ионе - другими словами, от того, сколько электронов было выбито на первом этапе. Чем больше ион заряжен, тем больше он отклоняется.

Этап 4: Детектирование

Пучок ионов, прошедший через прибор, детектируется электронными средствами.