Sexl Physik 7, Schulbuch

69 | B A chse 69.1 Hat ein geladenes Teilchen auch eine Anfangsgeschwindigkeit v u parallel zu den Feldlinien, so bewegt es sich auf einer Schraubenbahn. Erkläre dieses Verhalten. U B 1 Ionenquelle Film Magnetfeld 69.2 Im Massenspektrometer werden geladene Teilchen zunächst durch ein elektri- sches Feld beschleunigt und dann durch ein Magnetfeld abgelenkt. Aus dem Radius der Bahn kann die Masse bestimmt werden. Magnetosphärenschweif Polarlichtzone Plasma- schicht Sonnen- wind 69.3 Der Sonnenwind besteht hauptsäch- lich aus Protonen und Elektronen von der Sonne. Das Erdmagnetfeld wird durch den Sonnenwind verbogen. Ein Teil des Sonnen- winds wird im Erdfeld gefangen und pendelt in Schraubenbahnen um die Feldlinien zwischen den Polen der Erde. Es verursacht das Polarlicht 69.4 Aus dem Weltraum aufgenommene Häu- figkeit von Polarlichtern. Sie treten beson- ders in den Polregionen auf. Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn im homogenen Magnetfeld Wir betrachten ein Teilchen, das sich normal zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfelds bewegt. Da B überall den gleichen Wert hat und die Lorentzkraft nur die Richtung der Geschwindigkeit, nicht aber deren Betrag v ändert, durchläuft das Teilchen eine Kreisbahn. Die Lorentzkraft wirkt als Zentripetalkraft, so dass die Bewegungsgleichung lautet: . Für den Kreisradius ergibt sich daher . Im Allgemeinen hat das Teilchen auch eine Geschwindigkeitskomponente v II pa- rallel zur Feldrichtung. Diese bleibt unverändert. Die Gesamtbewegung des Teil- chens setzt sich daher aus zwei Bewegungen zusammen: a) normal zur Richtung des Magnetfeldes bewegt sich das Teilchen mit der Ge- schwindigkeitskomponente v © auf einer Kreisbahn mit dem Radius r = m · v © /( q · B ), b) parallel zur Richtung des Magnetfeldes bewegt sich das Teilchen mit konstan- ter Geschwindigkeit v II . Geladene Teilchen bewegen sich im homogenen Magnetfeld auf schraubenförmigen Bahnen. Die Achse der Schraubenbahn liegt parallel zur Feldrichtung. Der Radius der Schraubenbahn beträgt: Beispiel: Massenspektroskopie Der Bahnradius r = mv /( qB ) geladener Teilchen im Magnetfeld hängt vom Verhältnis m / q ab. Wenn man die Ladung q , die stets ein Vielfaches der Elementarladung ist, kennt, kann man die Masse aus dem Bahnradius bestimmen. ( 69.2 ) Dazu beschleunigt man die geladenen Teilchen zunächst in einem elektrischen Feld mit einer Spannung U . Wenn die Anfangsgeschwindigkeit der Teilchen vernachlässig- bar klein ist, gilt nach dem Energiesatz . Die Teilchen erreichen daher die Geschwindigkeit . Anschließend durchlaufen sie in einem homogenen Magnetfeld Kreisbahnen mit dem Radius Der Bahnradius steigt also mit der Wurzel der Teilchenmasse m . Fängt man die Teil- chen mit einer Photoplatte oder einem elektronischen Zähler auf, so erhält man ein Massenspektrum . So wurden die Masse des Elektrons ( m e = 9,1·10 –31 kg) und die Mas- sen der Atome mit ihren Isotopen bestimmt. Heute ist die Massenspektrometrie ein Standardinstrument der Analytik und unterstützt u. a. die Forensik wie die archäologi- sche Altersbestimmung ( 14 C-Methode). (s. a. Physik 8/Kernphysik) Antwort auf die Eingangsfrage Die Sonne sendet ständig einen Strom geladener Teilchen (Protonen und Elektronen), den Sonnenwind , in den Weltraum, gelegentlich kommt es bei erhöhter Sonnenakti- vität zu heftigen Sonnenstürmen mit einem verstärkten Teilchenstrom. Geraten die Teilchen in den Bereich des Erdmagnetfeldes, so bewegen sie sich auf Schraubenbah- nen um die Feldlinien. In der Umgebung der Pole nimmt die magnetische Feldstärke zu, dadurch verringert sich die Geschwindigkeitskomponente der Teilchen parallel zur Feldrichtung und kehrt sich schließlich um. Die Teilchen pendeln daher ständig zwi- schen den Polen hin und her. Dabei wird in einigen Bereichen des Erdmagnetfelds eine beträchtliche Anzahl von geladenen Teilchen gespeichert. Diese Bereiche heißen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv