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English

磁場の中の荷電粒子の円運動〜半径と周期をわかりやすく解説

の電子を、 の磁場に垂直に打ち込みます。半径 の円を描きます。

1 周にかかる時間は 。速さを 2 倍にしても、半分にしても、この は動きません。

半径は速さで変わるのに、周期は変わらない。この食い違いが、粒子加速器の設計を支えています。

力がいつも中心を向く

磁場から受ける力は、速度にも磁場にも垂直です。速度に垂直な力は仕事をしないので、速さが変わりません[1]

大きさが一定で、向きだけがつねに軌道の内側を向く。等速円運動の条件そのものです。

左辺が磁場から受ける力、右辺が円運動に要る向心力。等しいと置きます。

磁気力を向心力とみなす

を 1 つ約分して半径を出す

円周を速さで割って周期を出す

半径の式

両辺を で割って整理します。

速さに比例し、磁場に反比例する。質量が大きい粒子ほど曲がりにくく、電荷が大きいほど曲がりやすくなります。

分子の は運動量です。同じ運動量なら、粒子の種類によらず同じ半径になる。

周期は速さによらない

円周を速さで割れば、1 周の時間が出ます。

が約分で消えました[1]。速い粒子は大きな円を、遅い粒子は小さな円を描きますが、1 周にかかる時間は同じです。

逆数をとった をサイクロトロン振動数といいます。

速い粒子ほど 長い道のりを速く走る ので、時間が打ち消し合います。

半径が に比例するので円周も に比例する。それを で割れば が消える。

例:電子の半径と周期

とします[2]

。手のひらに乗る大きさです。

振動数に直すと 、つまり 。ラジオの電波と同じ桁です。

例:陽子に入れかえる

同じ速さ、同じ磁場で陽子を打ち込みます。質量が 倍なので、半径もそのまま 倍。

になりました。周期も 倍の 、振動数は まで下がります。

粒子半径周期振動数
電子
陽子

例:磁場を変える

磁場を 倍の にします。半径も周期も、どちらも半分になる。

半径だけを小さくしたい場面では、磁場を強くします。ただし周期も一緒に短くなるので、加速の周波数も上げなければなりません。

速さを変える

半径だけが変わる。周期と振動数は動かない

磁場を変える

半径も周期も変わる。どちらも磁場に反比例する

加速電圧から直接出す

多くの問題では、速さではなく加速電圧が与えられます。 から を出し、半径の式へ入れる。

で加速した電子を に入れる場合を計算します。

。この式には比電荷 しか入らないので、半径を測れば比電荷が求まります。

例:磁場の領域を通り抜ける

の帯状の磁場に、電子を垂直に打ち込みます。領域の中だけが円弧になり、出たあとは直線です。

曲がった角度は、幾何だけで決まります。半径 の円弧が幅 の帯を横切るとき、次の関係が成り立つ。

を入れます。

出口での横方向のずれも出ます。

より大きいと を超えてしまいます。そのときは通り抜けられず、領域の中で半円を描いて戻ってくる。

例:半円を描いて戻る

境界から垂直に入った粒子が引き返す場合、出てくる位置は入った位置から 離れた点になります。

半円をちょうど描くので、かかる時間は周期の半分です。

電子なら 。速さがいくつでも同じ値で、入射した速さを知らなくても時間だけは決まります。

出てくる向きは、入った向きの正反対。境界に沿った距離 を測れば、そこから半径が読めて、速さも出ます。

らせんになる場合の図

磁場と斜めに入った粒子は、円運動と等速直線運動を重ねた動きになります。

の角度で入った場合、垂直成分は 、平行成分は

半径は垂直成分だけで決まるので、真横から入った場合の半分になります。ピッチのほうは平行成分と周期の積です。

磁場と斜めに入るとき

速度が磁場と直角でない場合は、成分に分けます[1]

磁場に垂直な成分は円運動を作り、平行な成分はそのまま進み続ける。合わせるとらせんになります。

らせんの 1 巻きぶんの進み方をピッチといい、平行成分に周期を掛けた値です。

周期が速さによらないので、ピッチは平行成分だけで決まります。

検算のしかた

半径の式の分子が運動量になっているかを見ます。、分母の で、割ると になるはずです。

周期の式に が残っていないかも確かめます。残っていれば約分を忘れています。

桁の見当も立ちます。電子を 程度の磁場に入れれば半径は の桁。陽子なら の桁になります。

周期が速さで変わると考える。約分で消えています。
半径の式の分母に を残す。
を落として速さを出す。
斜めに入った粒子の全速度で、円運動の半径を出す。垂直成分だけです。
磁気力が仕事をすると考えて、エネルギーの保存を崩す。

速さ の陽子が磁場 の中で半径 の円を描いています。速さを にすると、半径と周期はどうなりますか。

  • 半径は 、周期は変わらない
  • 半径は 、周期は
  • 半径は変わらず、周期は
__RESULT__

なので半径は速さに比例し、 になります。周期は で速さを含まないため、変わりません。円周が 倍になっても速さが 倍なので、1 周の時間が同じになります。

磁気力を向心力と等しいと置き、 を 1 つ約分する。それだけで半径が出て、周期からは が消えます。

参考

Motion of a Charged Particle in a Magnetic Field. University Physics Volume 2, OpenStax.
Electron mass. CODATA 2022, National Institute of Standards and Technology.
Étienne Thibierge. *Champ magnétique, théorème d'Ampère*. Cours 17, PT, Lycée Blaise Pascal.
$1.0 \times 10^{7}\ \mathrm{m/s}$ の電子を $0.010\ \mathrm{T}$ に垂直に入れると、半径 $5.7\ \mathrm{mm}$ の円を描き、1 周に $3.6\ \mathrm{ns}$ かかります。速さを変えても、この $3.6\ \mathrm{ns}$ は動かない。$r = mv/(qB)$ と $T = 2\pi m/(qB)$ で、周期からだけ $v$ が約分で消えるためです。同じ条件の陽子なら半径が $1836$ 倍の $10\ \mathrm{m}$。加速電圧から直接出す $r = \sqrt{2mV/q}/B$ には比電荷しか入りません。幅 $3.0\ \mathrm{mm}$ の磁場を横切るときの偏向角、半円を描いて戻る時間、斜めに入ったときのらせんのピッチまで。