速度選別器のしくみを電場と磁場の向きから理解する
の電場と の磁場を直交させます。まっすぐ通り抜けられるのは、速さが の粒子だけです。
電荷がいくつでも、質量がいくつでも同じ。 という比だけが通す速さを決めます。
いろいろな速さの粒子が混ざったビームから、1 つの速さだけを抜き出す装置になります[1]。
2 つの力を向かい合わせる
電場から受ける力は で、電場の向きに沿っています。速さには関係ありません。
磁場から受ける力は で、速度と磁場の両方に垂直。速いほど大きくなります。
この 2 つが正反対を向くように配置します。速度、電場、磁場が互いに直角になる並べ方です。
電場の力と磁場の力を逆向きにそろえる
大きさが等しくなる条件を書く
両辺の を約分して速さを出す
電荷も質量も消える
両辺に があるので、約分できます[1]。
電荷の大きさも符号も、質量も出てきません。電子でも陽子でも重いイオンでも、通り抜ける速さは同じです。
電荷の符号を変えると 2 つの力が両方とも反転するので、釣り合いは保たれたまま。だから正の粒子と負の粒子を同時に選別できます。
例:5.0 × 10 の 6 乗 m/s を選ぶ
、 とします。
極板の間隔が なら、必要な電圧が出ます。
と の組み合わせ。どちらも実験室で作れる大きさです。

速すぎる粒子と遅すぎる粒子
が大きいと磁場の力が勝ち、粒子はそちらへ曲がります。 が小さいと電場の力が勝ち、逆へ曲がる。
どちらもスリットに当たって止まります。まっすぐ進んだものだけが先へ抜ける仕組みです。
正味の力は差で書けます。
なら磁場の側、 なら電場の側。 でちょうど になります。
選別の鋭さ
どれくらい速さがずれると通れなくなるか。極板の長さを 、スリットの半幅を とします。
速さのずれを とすると、正味の力は 。加速度は比電荷を掛けた値です。
電子なら 。通過にかかる時間は です。
になる を解くと 。速さの 0.06\ \mathrm{%} です。
選別の鋭さは 比電荷が大きいほど高く なります。
同じずれでも、軽い粒子ほど大きく曲がる。陽子で同じ鋭さを出すには、極板を長くするか磁場を強くする必要がある。
例:極板の長さを変える
ずれ は に比例し、 は極板の長さに比例します。長さを 2 倍にすれば、同じずれを 4 倍の大きさで検出できる。
つまり通す速さの幅が 4 分の 1 になります。鋭く選びたいなら、装置を長くする手が素直です。
ただし長くするほど、選ばれた粒子の数も減ります。もとのビームに含まれる割合が狭まるためです。
通す幅が広い。数は多いが速さがそろわない
通す幅が狭い。速さはそろうが数が減る
質量分析へつなぐ
速度選別器を通った粒子は、速さがそろっています。その先に一様な磁場を置くと、円運動の半径が測れる。
が既知なので、半径から が出ます[1]。
速さをそろえる工程を先に置かないと、半径が速さと質量の両方で決まってしまい、切り分けられません。
検算のしかた
の単位が になるかを見ます。 を で割った形です。
答えが光速を超えていないかも確かめます。超えたら、電場か磁場の桁が違う。
2 つの力の向きも見直します。同じ向きになっていたら、どこかで磁場か速度の向きをとり違えています。
の電場と の磁場を直交させた速度選別器を、まっすぐ通り抜ける速さはどれですか。
2 つの力を向かい合わせて を約分する。残るのは だけで、粒子が何であっても通す速さは同じです。
















v=BE=0.0102.0×104=2.0×106 m/s です。5.0×10−7 は分母と分子を逆にした値になります。粒子の種類は答えに影響しません。