Elektronen in Bewegung

Fadenstrahlröhre

Wird benutzt um die Bahn von Elektronen im Magnetfeld zu beobachten. Es besteht aus zwei großen Spulen und einer luftdruckarmen Glaskugel in der sich eine Elektrode befindet. Aus einer geheizten Elektrode treten bei hoher Spannung Elektronen aus, welche durch die Zusammenstöße mit Luftmolekühlen diese zur Aussendung von Licht anregen.
Durch passende Einstellung der Spulen und Intensivität der Magnetspulen, bewegen sich die Elektronen auf geschlossenen Kreisbahnen. Stellt man die Spulen etwas schräg ein, fliegen die Elektronen nicht mehr normal Richtung der magnetischen Induktion sondern seitlich versetzt (in "Schraubenform").

Kathodenstrahlröhre:

Die Röhre (Bildschirm) besteht aus einem luftleeren Glaskörper, Elektronenquelle, Ablenkeinheit und Leuchtschirm. Die Elektronenquelle ist ein Glühdraht (Kathode) und als Gegenpart dient eine Leuchtschicht aus Phosphor (Anode).
Die von der Glühkathode erzeugten Elektronen werden als Strahl geführt und scharf gebündelt. Alte Monochromröhren benutzen einen Strahl, neue Farbröhren bereits drei Strahlen für die Farben Rot, Grün und Blau.
Jeder Strahl wird durch elektromagnetische Spulen so gesteuert, dass dieser zeilenweise die Bildpunkte abtastet und die Phosphorschicht am Schirm aufleuchten lässt (Fluoreszenz).

Zyklotron

Für Untersuchungen in der Atomphysik benötigt man immer wieder rasch bewegte Teilchen, welche z.B. auf andere Teilchen geschossen werden. Dazu werden sog. Teilchenbeschleuniger benötigt (eine Var. von Teilchenbeschleunigern ist das Zyklotron). Ein solches Zyklotron (siehe Abb. 54.3) besteht aus einem starken Magneten, in dessen homogenen Magnetfeld sich zwischen den Polen ein evakuierter Behälter mit zwei holen D-förmigen Elektroden befindet. Anfangs wird das Teilchen (muss geladen sein - also ein Ion) aus der Ionenquelle geschleudert und sofort durch das Magnetfeld von seiner geradlinigen Bahn abgelenkt. Diese verursachende Kraft wird Lorenzkraft genannt.

LORENZKRAFT-GESETZ

Bewegt sich ein geladenes Teilchen der Ladung Q mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld der magnetischen Induktion B normal zu den Feldlinien, so wirkt auf das Teilchen eine Kraft F:

F = Q * v * B

Die Richtung des Vektors F ist normal auf Vektor v und normal auf Vektor B, die Orientierung von Vektor F ergibt sich aus der Korkenzieherregel
d.f.: Durch ansteigen der Geschwindigkeit v und Zuwachs der Kraft F erfolgt die ständige Ausdehnung des Bahnradius r . Bahnradius Spiralenförmig
Nach dem Austritt aus dem Magnetfeld bewegen sich die Teilchen geradlinig weiter

Synchotron

Jedoch ist 30 MeV die höchste Energie auf die Protonen mithilfe eines Zyklotron beschleunigt werden können. Für größere Bewegungsenergien müssten Bahnradius vergrößert oder Magnetfeld verstärkt werden. Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger mit konstantem Radius und wachsendem Magnetfeld. Mit einem Synchrotron können Protonen auf eine Energie von bis zu 900 GeV beschleunigt werden. Dafür sind extrem hohe Magnetfelder, erzeugt  durch supraleitende Magnetspulen, notwendig. Die Teilchen werden bei so hohen Geschwindigkeiten mit weiteren Magneten auf der Bahn gehalten.

Massenspektograph

Nun gibt es aber noch ein wichtiges Gerät bezw. Verfahren welches mit der Teilchenbeschleunigung in Verbindung steht. Der sog. Massenspektograph, mit dessen Hilfe die Massen bestimmter Teilchen berechnet werden können. Dabei spielt die Abhängigkeit des Krümmungsradius r der Bahn, bei der Bewegung eines geladenen Teilchens, im homogenen Magnetfeld B, von der Masse m des Teilchens, die Hauptrolle.

Als erstes durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Feld E und ein dazu normales magnetisches Feld B'. Dadurch wird erreicht, dass nur Teilchen mit einer genau bestimmbaren Geschwindigkeit v v = E / B') geradlinig bewegen und die Eintrittsöffnung des Massenspektographen erreichen. (siehe Buch Abb. 56.2)

Abgeleitet wird die Formel: