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Elektronen in Bewegung
Fadenstrahlröhre
Wird benutzt um die Bahn von Elektronen im Magnetfeld zu beobachten.
Es besteht aus zwei großen Spulen und einer luftdruckarmen Glaskugel
in der sich eine Elektrode befindet. Aus einer geheizten Elektrode treten
bei hoher Spannung Elektronen aus, welche durch die Zusammenstöße
mit Luftmolekühlen diese zur Aussendung von Licht anregen.
Durch passende Einstellung der Spulen und Intensivität der
Magnetspulen, bewegen sich die Elektronen auf geschlossenen
Kreisbahnen. Stellt man die Spulen etwas schräg ein, fliegen die
Elektronen nicht mehr normal Richtung der magnetischen Induktion
sondern seitlich versetzt (in „Schraubenform“).
Kathodenstrahlröhre:
Die Röhre (Bildschirm) besteht aus einem luftleeren Glaskörper,
Elektronenquelle, Ablenkeinheit und Leuchtschirm. Die Elektronenquelle
ist ein Glühdraht (Kathode) und als Gegenpart dient eine Leuchtschicht
aus Phosphor (Anode).
Die von der Glühkathode erzeugten Elektronen werden als Strahl geführt
und scharf gebündelt. Alte Monochromröhren benutzen einen Strahl,
neue Farbröhren bereits drei Strahlen für die Farben Rot, Grün und Blau.
Jeder Strahl wird durch elektromagnetische Spulen
so gesteuert, dass dieser zeilenweise
die Bildpunkte abtastet und die
Phosphorschicht am Schirm
aufleuchten lässt (Fluoreszenz).
Zyklotron
Für Untersuchungen in der Atomphysik
benötigt man immer wieder
rasch bewegte Teilchen, welche z.B. auf andere Teilchen geschossen
werden. Dazu werden sog. Teilchenbeschleuniger benötigt (eine Var. von
Teilchenbeschleunigern ist das Zyklotron). Ein solches Zyklotron (siehe
Abb. 54.3) besteht aus einem starken Magneten, in dessen homogenen
Magnetfeld sich zwischen den Polen ein evakuierter Behälter mit zwei
holen D-förmigen Elektroden befindet. Anfangs wird das Teilchen (muss
geladen sein - also ein Ion) aus der Ionenquelle geschleudert und sofort
durch das Magnetfeld von seiner geradlinigen Bahn abgelenkt. Diese
verursachende Kraft wird Lorenzkraft genannt.
LORENZKRAFT-GESETZ
Bewegt sich ein geladenes Teilchen der Ladung Q mit der
Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld der magnetischen Induktion B
normal zu den Feldlinien, so wirkt auf das Teilchen eine Kraft F:
F=Q*v*B
Die Richtung des Vektors F ist normal auf Vektor v und normal auf
Vektor B, die Orientierung von Vektor F ergibt sich aus der
Korkenzieherregel...
d.f.: Durch ansteigen der Geschwindigkeit v und Zuwachs der Kraft F
erfolgt die ständige Ausdehnung des Bahnradius r . Bahnradius à
Spiralenförmig
Nach dem Austritt aus dem Magnetfeld bewegen sich die Teilchen
geradlinig weiter...
Synchotron
Jedoch ist 30 MeV die höchste Energie auf die Protonen mithilfe eines
Zyklotron beschleunigt werden können. Für größere Bewegungsenergien
müssten Bahnradius vergrößert oder Magnetfeld verstärkt werden. Ein
Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger mit konstantem Radius und
wachsendem Magnetfeld. Mit einem Synchrotron können Protonen auf
eine Energie von bis zu 900 GeV beschleunigt werden. Dafür sind extrem
hohe Magnetfelder, erzeugt durch supraleitende Magnetspulen,
notwendig. Die Teilchen werden bei so hohen Geschwindigkeiten mit
weiteren Magneten auf der Bahn gehalten.
Massenspektograph
Nun gibt es aber noch ein wichtiges Gerät bezw. Verfahren welches mit
der Teilchenbeschleunigung in Verbindung steht. Der sog.
Massenspektograph, mit dessen Hilfe die Massen bestimmter Teilchen
berechnet werden können. Dabei spielt die Abhängigkeit des
Krümmungsradius r der Bahn, bei der Bewegung eines geladenen
Teilchens, im homogenen Magnetfeld B, von der Masse m des Teilchens,
die Hauptrolle.
Als erstes durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Feld E
und ein dazu normales magnetisches Feld B’. Dadurch wird erreicht,
dass nur Teilchen mit einer genau bestimmbaren Geschwindigkeit v (v =
E / B’) geradlinig bewegen und die Eintrittsöffnung des
Massenspektographen erreichen. (siehe Buch Abb. 56.2)
Abgeleitet wird die Formel:
m=
Q * B * B’ * r
E