균일한 자기장 내에서의 하전입자의 운동을 설명할 수 있습니다.
패러데이의 법칙
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음극선관의 구조 전극에서 방출된 전자가 전압에의해 가속됩니다. 가속된 전자는 빛을 방출합니다. 전자는 (-)전하를 띠고 있습니다. (Chemistry - The Central Science) |
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자기장내에서 움직이는 전하는 힘을 받습니다. 전자빔은 자기장에 의하여 휠 수 있습니다. 이러한 편향은 텔레비젼 화면에 그림을 그리고 컴퓨터 화면에 글자를 쓰게 만듭니다. (Chemistry - The Central Science) |
자기장내에서 움직이는 전하는 힘을 받습니다. 힘의 크기는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
| F = qvB sinΦ 또는, F = iB sinΦ |
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| F: 전하가 받는 힘(N) q: 전하의 양(C) v: 움직이는 전하의 속도(m/s) B: 자기장(T; 테슬라) Φ: 전류와 자기장이 이루는 각(Φ=90。인 경우 sinΦ=1) i: 전류(A) |
힘의 방향은 플레밍의 오른손법칙을 따릅니다.
| 손바닥을 쭉 폈을 때, | |
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| 엄지손가락: | 전류의 방향 |
| 나머지 네 손가락: | 자기장의 방향 |
| 손바닥: | 힘의 방향 |
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전류와 자기장이 서로 직각을 이룰 때 힘이 가장 큽니 다. 이 때, 세 방향은 서로 직각을 이룹니다.
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이온들의 질량을 측정하기 위해 사용되는 질량분석기. 질량 m과 전하 +q의 이온이 기체 방전이 일어나는 상자에서 생성됩니다. 처음에 정지해 있던 이온이 Source를 떠나 퍼텐셜차 ΔV에 의해 가속되고 나서 자기장 B가 있는 분리 상자로 들어갑니다. 자기장 내에서 그것은 반원을 그리며 입사 슬릿으로부터 어느정도 떨어진 곳에 있는 감광판을 때립니다. |
사이클로트론
물질의 궁극적 구조는 무엇인가? 이 질문은 언제나 물리학자들의 흥미를 끌어왔습니다. 해답을 얻기 위한 한가지 방법은 에너지가 큰 대전입자(전기를 띤 입자, 예를 들면 전자나 양성자 알파입자)로 단단한 목표물을 때리는 것입니다. 더 좋은 방법은 에너지가 큰 두 양성자를 정면충돌시키는 것입니다. 이와 같이 충돌로 인한 결과를 분석하는 방법은 물질의 구조를 밝히는데 가장 유용한 방법입니다. 1976년과 1984년의 Nobel물리학상은 이러한 충돌연구에 대하여 주어졌습니다.
어떻게 하면 양성자에게 충분한 에너지를 공급할 수 있을까요? 직접적인 접근방식은 양성자를 전기 퍼텐셜차 ΔV만큼 "낙하"시켜서 운동에너지를 eV 만큼 증가시키는 것입니다. 그러나 점점 더 높은 에너지를 얻는데 필요한 높은 전기 퍼텐셜차를 만드는 것은 훨씬 더 어려워집니다.
보다 나은 방법은 자기장 내에서 양성자를 원운동시키면서 매 회전마다 적당한 에너지를 얻도록 하는 것입니다.
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사이클로트론 (Cyclotron) 두 개의 빈 D모양의 반원의 물체들은 구리판으로 만들어졌습니다. 이 D라고 불리우는 구리판 사이에 교류퍼텐셜차를 만들 수 있는 전기 진동자가 연결되어 있습니다. D는 커다란 전자석에 의하여 형성된 지면으로부터 나오는 방향의 자기장(B)에 놓여 있습니다. 양성자가 첫 D로부터 가운데 간격으로 들어가는 순간에 전류의 부호가 바뀌었다고 가정하세요. 따라서 양성자는 다시 음으로 대전된 D를 만나고 다시 가속됩니다. 이 과정은 계속되어 원운동하는 양성자는 양성자가 D계의 가장자리 밖으로 나선운동을 하며 나갈 때까지 언제나 D전기퍼텐셜의 진동과 보조를 맞춥니다. |
양성자 싱크로트론
재래식 사이클로트론은 속도가 광속에 접근할수록 고전적인 운동과는 맞지 않는 단점을 가집니다. 아인쉬타인의 상대론에 따르면 원운동하는 양성자의 속력이 광속에 접근하면서 양성자는 궤도를 도는 데 더욱 많은 시간이 걸리게 됩니다.
양성자 싱크로트론은 자기장과 진동수를 계속 변하게 만듭니다. 따라서 원운동하는 양성자의 진동수는 진동자와 항상 보조를 맞출 수 있게 되며, 나선형이 아닌 원형으로 운동할 수 있게 됩니다.
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미국 일리노이즈주에 있는 페르미(Fermi)입자 가속 연구소. 원형터널의 총 길이는 6.3km입니다. 여기에서 원자 및 소립자에 대한 구조 연구가 많이 진행되었습니다. (Chemistry - The Central Science) |
관련자료: 러더퍼드의 원자 모형 - 원자핵의 발견