Question

如圖甲所示，為一種研究高能粒子相互作用的裝置，兩個直線加速器均由k個長度逐個增長的金屬圓筒組成(整個裝置處于真空中，圖中只畫出了6個圓筒，作為示意)，它們沿中心軸線排列成一串，各個圓筒相間地連接到正弦交流電源的兩端。設金屬圓筒內部沒有電場，且每個圓筒間的縫隙寬度很小，帶電粒子穿過縫隙的時間可忽略不計。為達到最佳加速效果，需要調節至粒子穿過每個圓筒的時間恰為交流電的半個周期，粒子每次通過圓筒間縫隙時，都恰為交流電壓的峰值。

質量為m、電荷量為e的正、負電子分別經過直線加速器加速后，從左、右兩側被導入裝置送入位于水平面內的圓環形真空管道，且被導入的速度方向與圓環形管道中粗虛線相切。在管道內控制電子轉彎的是一系列圓形電磁鐵，即圖中的A₁、A₂、A₃…A_n，共n個，均勻分布在整個圓周上(圖中只示意性地用實線畫了幾個，其余的用虛線表示)，每個電磁鐵內的磁場都是磁感應強度相同的勻強磁場，磁場區域都是直徑為d的圓形。改變電磁鐵內電流的大小，就可改變磁場的磁感應強度，從而改變電子偏轉的角度。經過精確的調整，可使電子在環形管道中沿圖中粗虛線所示的軌跡運動，這時電子經過每個電磁鐵時射入點和射出點都在圓形勻強磁場區域的同一條直徑的兩端，如圖乙所示。這就為實現正、負電子的對撞作好了準備。

圖甲

圖乙

(1)據相對論知，當1時，物體運動時的能量和靜止時的能量之差等于物體的動能。若正、負電子經過直線加速器后的動能均為E₀(能滿足vc)，它們對撞后發生湮滅，電子消失，且僅產生一對頻率相同的光子，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)若電子剛進入直線加速器第一個圓筒時速度大小為v₀,為使電子通過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當多大？

(3)電磁鐵內勻強磁場的磁感應強度B為多大？(相鄰兩電磁鐵的間距忽略不計)

Answer 1

解：(1)一對正、負電子對撞后湮滅產生一對光子，所以一個光子的能量與一個電子的能量相等，即每個光子的能量為E=E₀+mc²,

設光子的頻率為v，則hv=E,

解得v=(E₀+mc²)/h.

(2)電子在直線加速器中，經過k個圓筒間的(k^-1)個縫隙間的電場后，共經歷(k^-1)次加速，每當電子運動至筒間縫隙對交流電壓的瞬時值應為最大值U_m，

根據動能定理(k^-1)eU_m=mv²-mv₀²，(4分)

解得U_m=.

(3)設電子經過1個電磁鐵的圓形磁場區時偏轉角度為θ,則θ=，

由圖可知，電子射入勻強磁場區時與通過射入點的直徑夾角為

電子在勻強磁場區域內做圓周運動，洛倫茲力提供向心力evB=，

根據幾何關系sin，

解得B=.