Question

如圖甲所示，為一種研究高能粒子相互作用的裝置，兩個(gè)直線加速器均由k個(gè)長(zhǎng)度逐個(gè)增長(zhǎng)的金屬圓筒組成(整個(gè)裝置處于真空中，圖中只畫(huà)出了6個(gè)圓筒，作為示意)，它們沿中心軸線排列成一串，各個(gè)圓筒相間地連接到正弦交流電源的兩端。設(shè)金屬圓筒內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)，且每個(gè)圓筒間的縫隙寬度很小，帶電粒子穿過(guò)縫隙的時(shí)間可忽略不計(jì)。為達(dá)到最佳加速效果，需要調(diào)節(jié)至粒子穿過(guò)每個(gè)圓筒的時(shí)間恰為交流電的半個(gè)周期，粒子每次通過(guò)圓筒間縫隙時(shí)，都恰為交流電壓的峰值。

質(zhì)量為m、電荷量為e的正、負(fù)電子分別經(jīng)過(guò)直線加速器加速后，從左、右兩側(cè)被導(dǎo)入裝置送入位于水平面內(nèi)的圓環(huán)形真空管道，且被導(dǎo)入的速度方向與圓環(huán)形管道中粗虛線相切。在管道內(nèi)控制電子轉(zhuǎn)彎的是一系列圓形電磁鐵，即圖中的A₁、A₂、A₃…A_n，共n個(gè)，均勻分布在整個(gè)圓周上(圖中只示意性地用實(shí)線畫(huà)了幾個(gè)，其余的用虛線表示)，每個(gè)電磁鐵內(nèi)的磁場(chǎng)都是磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)區(qū)域都是直徑為d的圓形。改變電磁鐵內(nèi)電流的大小，就可改變磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而改變電子偏轉(zhuǎn)的角度。經(jīng)過(guò)精確的調(diào)整，可使電子在環(huán)形管道中沿圖中粗虛線所示的軌跡運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電子經(jīng)過(guò)每個(gè)電磁鐵時(shí)射入點(diǎn)和射出點(diǎn)都在圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的同一條直徑的兩端，如圖乙所示。這就為實(shí)現(xiàn)正、負(fù)電子的對(duì)撞作好了準(zhǔn)備。

圖甲

圖乙

(1)據(jù)相對(duì)論知，當(dāng)1時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量和靜止時(shí)的能量之差等于物體的動(dòng)能。若正、負(fù)電子經(jīng)過(guò)直線加速器后的動(dòng)能均為E₀(能滿足vc)，它們對(duì)撞后發(fā)生湮滅，電子消失，且僅產(chǎn)生一對(duì)頻率相同的光子，則此光子的頻率為多大？(已知普朗克常量為h，真空中的光速為c)?

(2)若電子剛進(jìn)入直線加速器第一個(gè)圓筒時(shí)速度大小為v₀,為使電子通過(guò)直線加速器后速度為v，加速器所接正弦交流電壓的最大值應(yīng)當(dāng)多大？

(3)電磁鐵內(nèi)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為多大？(相鄰兩電磁鐵的間距忽略不計(jì))

Answer 1

解：(1)一對(duì)正、負(fù)電子對(duì)撞后湮滅產(chǎn)生一對(duì)光子，所以一個(gè)光子的能量與一個(gè)電子的能量相等，即每個(gè)光子的能量為E=E₀+mc²,

設(shè)光子的頻率為v，則hv=E,

解得v=(E₀+mc²)/h.

(2)電子在直線加速器中，經(jīng)過(guò)k個(gè)圓筒間的(k^-1)個(gè)縫隙間的電場(chǎng)后，共經(jīng)歷(k^-1)次加速，每當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)至筒間縫隙對(duì)交流電壓的瞬時(shí)值應(yīng)為最大值U_m，

根據(jù)動(dòng)能定理(k^-1)eU_m=mv²-mv₀²，(4分)

解得U_m=.

(3)設(shè)電子經(jīng)過(guò)1個(gè)電磁鐵的圓形磁場(chǎng)區(qū)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度為θ,則θ=，

由圖可知，電子射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)時(shí)與通過(guò)射入點(diǎn)的直徑夾角為

電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力evB=，

根據(jù)幾何關(guān)系sin，

解得B=.