在物理学中,人们为了获得高能的带电粒子,通常采用的方法就是通过加速带电粒子来给它更大的动能,然后用它去轰击微小的分子,从而将分子中的更小粒子给轰击出来,以此来揭示物体的微观世界中的奥妙。
就拿加速电子举例,电子离开本体后,在电场的作用下,它的运动方向会发生偏转,运动的速度也会成倍的增加。然而,在物理研究异常活跃的19世纪,当时人类制造的电压远没有那么高,要想将电子的速度加到一个理想值,就必须将电压管道进行串联,以此让电子多次的在电场中加速,从而提高电子的动能。
可事实却是,如果用这种方法给电子加到一个理想的速度则需要很长的管道,这种方法很显然是不现实的。因此,有人想到了一个办法,那就是在有限的资源空间上,让电子在里面不断的被加速,从而获得高能的电子束。于是,一位物理学家劳伦斯就制成了回旋加速器。
回旋加速器看似高大上,其实制造它不是那么复杂。回旋加速器的结构中包含两个D字形的磁场,在两个D字形的磁场中间加有一个高压电场(当然,这个高压电场是不能击穿中间介质的)。这个电场还必须是交流电,因为电子进出两个D字形的方向不同,导致它进出电场中的受力方向必须不同,这样才能使电子不断的被加速。
电子首先以V1的初速度进入磁场中后,电子就会受到磁场对它的洛伦磁力(F=BVq)的作用,使电子在磁场中做匀速圆周运动,当电子运动到D字形磁场的边沿处时,然后此时在两个D字形的磁场中间加上一个电场,电子就会被加速到V2。
由MV²/R=BVq可知,电子在磁场中做圆周运动的半径R=MV/Bq。也就是说,电子在磁场中做圆周运动的半径跟它进入磁场时的初速度有关。当电子反复进入电场中后,电子的速度就会被一直加速,电子在磁场中的运动轨迹也就不会出现重合的现象了。
那么,问题来了,怎么确定加速电场何时加速电子呢?这个问题还得从电子在磁场中做圆周运动的周期来说起了。
在运动学中,物体做周期运动的周期T=2πR/V,现在,我们将R=MV/Bq带入到上式中,就可以得出周期T=2πM/Bq了。由此式可知,电子在磁场中的运动周期跟电子的进入磁场中的速度无关,而跟磁场的磁感应强度B和电子的电荷量q有关。
电子的质量目前是已知的,电子的电荷量也是已知的,磁感应强度也是已知,当然,电子在这个磁场中的周期T就可以被计算出来了。也就是说,每个周期T的时间给回旋加速器加入一个电场,就能将电子进行巧妙的结合。按照这个理论,电子在回旋加速器中的速度不是可以无限的加速吗?
然而,事实并非如此。根据爱因斯坦的质能方程E=MC²可知,当电子的速度接近光速时,电子的质量就会逐渐的增大,一旦电子的质量增大后,周期(T=2πM/Bq)就会相应增大,从而使电场的给入时间发生了变化。
而且,电子质量的增大的幅度不易测算,直接导致了周期T的不易计算,这就为电场的给入时间带来了巨大的困难。故而,回旋加速器是不可能将电子的速度无限增大的。
粒子在感生电场中能无限加速吗,为什么不能?
答案选A。B逐渐增加,产生感册裂生电场,方向遵循右手定则,感生电场稳定,且为顺时针涡旋电场,州尘闭所以带正电小球受力方向和运动方向相同,做加速运动。粒子在感生电场中应该不能无限加速,这就涉及相对论了,速度太大,兄棚质量变了,经典力学规律不好用了,这点高考不会考的。