Атом – это незаряженная частица. Ядро атома несет положительный заряд, в нем сосредоточена почти вся масса частицы. Суммарный заряд электронов, «окружающих» ядро равен заряду ядра, но противоположен по знаку.
Ион из атома получается так:
- При потере атомом одного или нескольких электронов, он становится положительно заряженной частицей, которую называют положительным ионом.
- Бывает, что атом захватывает дополнительные электроны, тогда образуется атом с отрицательным зарядом или отрицательный ион.
Сила Лоренца
Магнитное поле оказывает силовое воздействие на перемещающиеся заряженные частицы.
Рассмотрим элемент () проводника с током , площадь сечения этого проводника будем считать равной . Ток образуют частицы, имеющие заряд , движутся они со средней скоростью вдоль элемента тока. Количество носителей тока в единице объема проводника составляет .
Тогда за единицу времени через единицу площади поперечного сечения элемента тока пройдет заряженный частиц, которые несут заряд, равный . Так, перемещающиеся в элементе тока заряженные частицы создают электрический ток сила которого равна:
.
В соответствии с законом Ампера сила, действующая на наш элемент тока в магнитном поле с индукцией равна:
.
Поскольку мы говорим о том, что векторы и имеют одинаковые направления, то в выражении (2) знак вектора перенесем с на . Примем во внимание, что - количество заряженных частиц в объеме элемента тока, формулу (2) представим в виде:
.
Сила в выражении (3) действует на частиц, тогда на одну частицу действует сила, равная:
.
Сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, определяемая выражением (4) называется силой Лоренца.
Иногда силой Лоренца именуют суммарную силу, которую испытывает заряженная частица, при движении в электрическом и магнитом полях:
.
Выражение (4) указывает нам на то, что магнитное поле:
- оказывает свое воздействие только на заряженную частицу (то есть на ион она должна действовать);
- будет действовать на ион только, если частица движется (при сила Лоренца для магнитного поля равна нулю).
- не будет оказывать своего воздействия на ион, если он перемещается параллельно линиям магнитной индукции поля.
Скорость, входящая в выражения для силы Лоренца, - это скорость частицы относительно магнитного поля.
Движение иона в однородном магнитном поле
Из выражения (4), которое содержит векторное произведение () очевидно, что сила Лоренца, оказывающая действие на частицу в магнитном поле, будет направлена перпендикулярно к ее скорости. Из этого можно сделать вывод о том, что эта сила работы не совершает и не может изменять величину скорости. Но влиять на изменение направления скорости она может.
Пусть ион с зарядом движется в однородном магнитном поле. Даная частица влетает в магнитное поле, индукция которого , со скоростью перпендикулярно линиям поля.
На ион со стороны поля в этом случае будет действовать сила Лоренца по величине, равная:
.
Вектор скорости иона и вектор силы Лоренца постоянно находятся в плоскости, нормальной к силовым линиям магнитного поля. Движение частицы будет идти в данной плоскости. Постоянная по модулю сила, перпендикулярная скорости, является центростремительной (). Ион в нашем магнитном поле движется по окружности, радиус которой равен .
Из равенства силы Лоренца и центростремительной силы, найдем радиус траектории движения иона:
.
Время перемещения иона по кругу составит:
.
Движение является периодическим, поэтому время одного оборота названо периодом. Формула (8) показывает нам, что период движения иона не зависит от его скорости.
Допустим, что ион влетает под некоторым углом неравным 90° к линиям однородного магнитного поля. В этом случае траекторией его движения будет винтовая линия.
При движении по силовой линии ион не будет «ощущать» воздействия магнитного поля. Раскладывая вектор скорости на две компоненты:
- нормальную к линии поля;
- параллельную силовой линии,
мы поймем, что:
- перемещение по силовой линии идет с неизменной скоростью,
- движение в плоскости перпендикулярной силовым линиям, будет круговым.
За время, соответствующее периоду обращения иона по окружности, величина перемещения частицы по линии поля составит:
Величина называется шагом винтовой траектории частицы.
Радиус винтовой траектории частицы определяет выражение (7), где вместо скорости подставляется ее нормальная составляющая к линиям магнитной индукции поля:
.
Движение иона в неоднородном магнитном поле
Если ион движется в неоднородном магнитном поле, то радиус и шаг ее винтовой траектории непрерывно изменяются.
Так, при перемещении частицы по направлению увеличения магнитной индукции поля:
- радиус ее винтовой траектории станет уменьшаться;
- траектория движущегося иона навивается на силовую линию.
Особенности движения заряженных частиц в магнитных полях часто применяются в разных устройствах электронной оптики:
- ускорителях заряженных частиц;
- масс – спектрометрах.
Циклотрон
Независимость частоты обращения (ν=1/T) в магнитном поле от энергии частиц применяют для устройства ускорителя заряженных частиц – циклотрона.
Этот прибор предназначен для ускорения тяжелых заряженный частиц, коими и являются ионы, без использования высокого напряжения.
Ускорение ионов происходит между парой полукруглых металлических электродов, которые имеют вид коробок (называются дуантами). На дуанты подают переменное напряжение несколько десятков киловольт. В промежутке между дуантами появляется электрическое поле, которое ускоряет ионы.
Сами ионы порождает газовый разряд в специальном источнике ионов. Ионы направляют в центр щели между дуантами. Дуанты размещены внутри вакуумной камеры, находящейся между полюсами электромагнита.
Циклотрон осуществляет ступенчатое ускорение ионов. Всякий ион, который попал в щель между дуантами, ускоряется электрическим полем и влетает в один из дуантов. Там магнитное поле заставляет его описать полуокружность и через половину периода, ион вновь оказывается между дуантами в электрическом поле. Поля настраивают так, чтобы к моменту вылета иона электрическое поле изменило свое направление на противоположное, тогда ион получает повторное ускорение, во втором дуанте он будет перемещаться по окружности большего радиуса. Так, двигаясь из одного дуанта в другой через щель с электрическим полем ион будет перемещаться по раскручивающейся спирали, постоянно увеличивая свою энергию.