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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。

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 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。

短い極板

通す幅が広い。数は多いが速さがそろわない

長い極板

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。 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。

の分母と分子を逆にする。
電荷や質量が答えに効くと考える。約分で消えています。
電場と磁場を平行に置く。直交させる必要があります。
速さがずれた粒子も、少し曲がるだけで通り抜けると考える。
質量分析で、速度選別を通さずに半径から質量を出す。

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。

__RESULT__

です。 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。

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。

参考

Applications of Magnetic Forces and Fields. University Physics Volume 2, OpenStax.
Motion of a Charged Particle in a Magnetic Field. University Physics Volume 2, OpenStax.
Electron mass. CODATA 2022, National Institute of Standards and Technology.
$1.0 \times 10^{5}\ \mathrm{V/m}$ の電場と $0.020\ \mathrm{T}$ の磁場を直交させると、$5.0 \times 10^{6}\ \mathrm{m/s}$ の粒子だけがまっすぐ抜けます。$qE = qvB$ の $q$ が約分で消えるので、電荷にも質量にもよらず $v = E/B$ だけが残る。速すぎれば磁場の側へ、遅すぎれば電場の側へ曲がってスリットに当たります。極板 $5.0\ \mathrm{cm}$、スリット半幅 $0.5\ \mathrm{mm}$ なら、電子で通る幅は速さの $0.06\ \mathrm{%}$。極板を 2 倍に伸ばすと幅が 4 分の 1 になることや、この先に磁場を置いて質量分析へつなぐ手順まで。