基本例題95 磁場による電子の偏向

設問(1) 軌道半径 $r$

直感的理解
磁場中の荷電粒子はローレンツ力を受けて等速円運動をします。ローレンツ力は常に速度に垂直なので、速さは変わらず向きだけ変わります。円運動の向心力としてローレンツ力がはたらく式を立てれば、半径 $r$ が求まります。

立式:ローレンツ力が向心力になるので

$v_0$ で割って整理すると:

答え:
$$r = \frac{mv_0}{eB}$$
Point

磁場中の荷電粒子の円運動半径:$r = mv/(eB)$。速さが大きいほど、質量が大きいほど曲がりにくい。

設問(2) $y$ を求める(三平方の定理)

直感的理解
円の中心Oから点Pまでの距離が $r$ であることと、$x$ 方向の移動距離が $l$ であることを使って、三平方の定理で $y$ 方向の偏向量を求めます。$y$ が十分小さいとき $y \fallingdotseq 0$ という近似が成り立ちます。

三角形PQR(Q は円の中心O、R は入射点)について、$r^2 = l^2 + (r - y)^2$ が成り立ちます。

展開すると:

$$r^2 = l^2 + r^2 - 2ry + y^2$$ $$2ry - y^2 = l^2$$

$y$ が十分小さいとき $y^2 \fallingdotseq 0$ なので:

$$y = \frac{l^2}{2r} = \frac{eBl^2}{2mv_0}$$
答え:
$$y = \frac{l^2}{2r} = \frac{eBl^2}{2mv_0}$$
Point

$y$ が十分小さい近似のとき $y = l^2/(2r)$。電場による偏向 $y = eEl^2/(2mv_0^2)$ と構造が似ているが、磁場の場合は $v_0$ の1乗に反比例。

設問(3) $\tan\theta$ を求める

直感的理解
円の接線方向と $x$ 軸のなす角は、幾何学的に $\sin\theta = l/r$ で決まります。$\theta$ が小さいとき $\tan\theta \fallingdotseq \sin\theta$ です。

点Pにおける軌道の接線と $x$ 軸のなす角について:

$$\tan\theta \fallingdotseq \sin\theta = \frac{l}{r} = \frac{eBl}{mv_0}$$
答え:
$$\tan\theta = \frac{l}{r} = \frac{eBl}{mv_0}$$
補足:向心加速度の導出

等速円運動の加速度は常に中心を向き、大きさは $a = \frac{v^2}{r} = r\omega^2$ です。速度の大きさは変わりませんが、方向が変わり続けるため加速度が存在します。

磁場偏向の具体計算

加速電圧 $V_0 = 2.0 \times 10^3$ V で加速された電子の速さは

$$v = \sqrt{\frac{2eV_0}{m_e}} = \sqrt{\frac{2 \times 1.6 \times 10^{-19} \times 2.0 \times 10^3}{9.1 \times 10^{-31}}} \fallingdotseq 2.65 \times 10^7 \text{ m/s}$$

これを磁束密度 $B = 1.5 \times 10^{-3}$ T の磁場中で円運動させると、半径は

$$r = \frac{m_e v}{eB} = \frac{9.1 \times 10^{-31} \times 2.65 \times 10^7}{1.6 \times 10^{-19} \times 1.5 \times 10^{-3}} \fallingdotseq 1.00 \times 10^{-1} \text{ m}$$

磁場領域の長さ $l = 2.0 \times 10^{-2}$ m を通過したときの偏向角は

$$\tan\theta = \frac{l}{r} = \frac{2.0 \times 10^{-2}}{1.00 \times 10^{-1}} = 0.20, \quad \theta \fallingdotseq 11.3°$$

$\theta$ が小さければ $\sin\theta \fallingdotseq \tan\theta$ の近似が使えます。

Point

磁場での偏向角:$\tan\theta = l/r$。$\theta$ が小さいとき $\sin\theta \fallingdotseq \tan\theta$ の近似を使う。