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运动电子为什么会在磁场中产生洛伦兹运动?

  洛伦兹力公式物理理论中推导出来的,而是由多次重复实验所得的结论,它只能被当作基本公理来应用,因为,直到现代人们还不清楚洛伦兹形成的真正物理机制,更不知道洛伦兹力是一种力?它何而来?北京军海癫痫病医院

  如图-1,当装有非金属轴的自旋磁陀螺从倾斜拱槽中向下滚动,进入一个上下型均匀偶极磁场0梯度面空间时,它会产生曲线运动;当磁陀螺运动速度足够小或外磁场足够大时,它甚至可以呈现近似椭圆的运动。

  本节所讨论的磁陀螺运动都是在重力场影响可以忽略不计的微重力环境下进行推理、分析的;微观粒子在磁场空间中运动也可以看做是不受重力场影响的运动,因粒子所受重力与其所受的磁场力比太弱了,可以不予考虑。

  当自旋磁陀螺进入磁场空间后,磁场磁极是无法与闭合磁力线部分产生作用的,故磁陀螺在磁场中运动所受的磁场及磁极力体其自旋磁轴上。 如图-4所示,上下型偶磁极磁场空间的中间都存在一个N、S分界平面,在这个平面上小磁针不会产生向磁场磁极运动的情况,即小磁针二端的N、S极所受二个磁场磁极的梯度力相等,故其质心会在这个平面上保持平衡稳定状态,我们称这个平磁场0梯度面,而在这个平面之上或之下的空间平面则称为磁场非0梯度面。

  我在《磁陀螺运动与现代物理学漫谈(8)》[1]中谈到,当给自旋陀螺轴上下等距离处施加相同的外力矩时,陀螺不会产生自旋轴倾斜的进动,而会产生质心平移的曲线运动,且平移速度不减小,只是速度方向发生改变;如果这对力矩永不消失,它实质就会形成稳定的曲线

  自旋磁陀螺以一定初速度进入上下型均匀磁场时也会产生这样的运动:以均匀磁场0梯度面为例,如图-6所示,自旋磁陀螺以平动速度V0进入磁场0梯度面空间时,其自旋轴上、下端磁极都会受到磁场磁极力F上H、F下H的影响,且这二个力大小相等、方向相反,并与其平动速度V0方向垂直。由于这二个等值力的作用,磁陀螺质心将会产生二个运动速度分量,即一个是受磁场磁极剪切阻力作用而减小、运动方向仍保持原速度V0方向的V0′速度,且有ΔV0=V0-V0′;另一个是磁陀螺二磁极作切割磁场力线时所产生的垂直于原速度V0方向的V⊥速度,这二个速度合成就是它在磁场中作曲线运动的速度V.

  V⊥=V0-V0′,V=V0′+V⊥=V0,V2 = (V0′)2+(V⊥) 2≡V02;

  但这里有个问题,匀速圆周运动速度的二个矢分量值是相等的,即V⊥=V∥,这就V0′=ΔV0=V⊥成立,为什么呢?到底V0′=V⊥成不成立呢?欢迎对问题感兴趣的朋友们给予指点和评判!

  通过实验和分析可见,如果将逆时针自旋的磁陀螺射入均匀磁场空间时,则它的自旋轴二端因受磁场磁极引力作用,会因切割磁力线作用而形成沿顺时针方向的曲线运动,V与V⊥及磁场H方向符合电磁学中「右手判断法则」,且在0梯度面上作圆周运动的磁陀螺速度与它进入磁场的初速度值大小不变,但运动方向会改变。如果从速度矢量合成方面来考虑,则自旋磁陀螺轴受力后产生的速度变化矢量V⊥方向始终与切割磁力线力F阻垂直,即F阻⊥V⊥,这与无自旋磁陀螺在磁场中运动受力有根本性区别,但却与圆周运动属性保持一致。

  如图-9所示,如最佳治疗癫痫病的中药果我们在微重力的太空给这个竖直自旋的磁陀螺也施加一个瞬时力F时,则因没有重力矩存在,故陀螺不能形成进动,但会产生二个瞬时速度分量,即V⊥、V∥,它们的速度合成V就是陀螺产生曲线运动的速度,关于这方面实验可仔细观摩王亚平太空陀螺实验的相关视频予以甄别。

  如图-10所示,如果我们给一个垂直自旋的磁陀螺施加一对瞬时力偶时,则磁陀螺轴会产生180°翻转,并会形成一个垂直向的翻转速度V⊥翻;且磁陀螺的自旋时针方向和自旋轴的N、S极方向也将呈现相反变化。

  以此为据,如果我们将一个N极在上、顺时针自旋的磁陀螺沿均匀磁场0梯度面以V0速度射入磁场空间时,如图-11所示,则该磁陀螺在接近磁场空间入口处时因其自旋轴磁极受磁场磁极力影响而产生180°翻转,这就S极在上、逆时针自旋的磁陀螺,同时会产生一个V⊥翻方向的速度,这个速度与磁陀螺自旋轴切割磁力线形成的速度V⊥切方向相反,此二者合成向心速度V⊥,而V0与V⊥则合成磁陀螺在磁场中作曲线运动的速度V,且有V=V⊥+V0,其中V⊥=V⊥翻-V⊥切,V= V0.

  就N极在上、逆时针自旋的磁陀螺而言,它在该磁场空间做切割磁力线曲线运动时,运动针方向与其自旋时针方向也表现出相反性来,且这种运动符合电磁学中的「左手判定法则」,这与正电子在该磁场空间做洛伦兹曲线运动的情形相一致。

  这种磁陀螺运动现象说明,自旋磁陀螺在磁场0梯度面内运动是最稳定的,因磁陀螺轴上下端所受磁场磁极力都相等,从而保证了其曲线运动速度的不变性,即保证其运动上下空间距离不变和左右绕中心圆点运动半径不变,这就是为什么行星绕太阳运动时其轨道平面都处于太阳赤道平面上下很小角度?的原因之一;在太阳自旋体的N、S极磁场中,0梯度面就是其赤道面,同样地,带有自旋磁矩的自旋电子在均匀磁场中作洛伦兹曲线运动也有与此类似运动的特性。

  洛伦兹运动是指带电粒子在磁场中受磁场影响所产生的曲线年荷兰物理学亨德里克·洛伦兹提出洛伦兹力概念下所产生的运动现象。

  如图-12所示,在均匀磁场中,带电粒子的运动轨迹呈圆或局部圆弧线;现代也可以用实验观察到电子在均与磁场中作圆周运动的轨迹,如图-13所示,它是在均匀磁场中,电子射束中电子经过磁场的路径会有紫色光发射出来,这是因电子与玻璃球内气体分子碰撞而产生的现象,从这个现象中可以观察到电子运动轨迹是一个圆。

  在非均匀磁场中,带电粒子的运动轨迹虽不是圆,但也表现出连续的曲线,洛伦兹力方向的判定尊循左手定则,即把左手放入磁场中,让磁感线垂直穿过手掌心,四指指向电流方向,则拇指的方向就是导体或正电荷受力方向(若q为负电荷,则方向相反)。

  洛伦兹力既适用于宏观电流,也适用于微观电荷粒子,电流元在磁场中所受安培力就是其中运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。导体回路在恒定磁场中运动,使其中磁通量变化而产生的动生电动势也是洛伦兹力的结果,洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力。

  不过,值得注意的是:洛伦兹力公式不是从物理理论中推导出来的,而是由多次重复实验所得的结论,它只能被当作一个基本公理来应用,因为,直到现代人们还不清楚洛伦兹运动形成的真正物理机制,更不知道洛伦兹力是一种什么力?它从何而来?

  现代物理学证明,电子有自旋和自旋磁矩存在,也就是说,电子可以被看做是一个微小的自旋磁陀螺,故电子在均匀磁场中作洛伦兹运动与磁陀螺在均匀磁场作曲线运动有一定的相似抽搐要怎么治疗性。

  如图-16所示,一个带有自旋磁矩的电子以初速度V0从0梯度面进入磁场空间后,其自旋轴上下端磁极都会受到磁场磁极引力影响,且这二个力大小相等、方向相反,并与它平动速度V0方向垂直;由于这二个等值力作用,电子质心运动方向将产生二个速度分量,一个是保持原有运动方向的速度V0′,另一个是电子二个磁极切割磁场力线所产生的垂直

  可见,在0梯度面上作圆周曲线运动的电子速度与它进入磁场前的速度大小不变,但运动方向改变;自旋电子轴受磁场磁极剪切力产生的速度变化方向始终与剪切力相互垂直,即V⊥⊥F;在这个运动中,如果用惠更斯圆周运动公式,则有qmB=mv2/r,由此我们也可以通过测定r、v、B值来确定自旋电子磁量的大小。

  由此看来,如果将电子看做是一个自旋磁陀螺,那么它在磁场中作曲线运动的所谓洛伦兹力就不复存在--洛伦兹力实质就是自旋磁陀螺式的电子磁轴切割磁场磁力线而产生V⊥的另一种描述,是将电子看做是没有自旋性质点粒子(经典粒子)运动的必然结果;理想的洛伦兹圆周运动只能存在于磁场0梯度面上。

  如果我们将带有自旋磁场的正电子也可以看做是一个自旋磁陀螺,那么,它在均匀磁场中运动与电子有什么差异呢?

  如图-17是自旋磁陀螺翻转180°与电子翻转180°后的对比图,通过与自旋磁陀螺在均匀磁场空间翻转运动的比较中可以看出,电子与正电子其实应该是同一种自旋磁粒子,只是相互之间呈180°翻转后才会表现出不同的洛伦兹曲线运动时针方向。

  不过,据现代教书,电子与正电子的电荷(电性相反)、质量、磁量大小都一样,且自旋方向也相同,但我不知我们定义正电子自旋方向与电子一样的依据是什么?就仅仅因为它们在磁场中作洛伦兹运动时针方向相反吗?

  从磁性而言,电子与正电子的磁量、质量可以一样,但自旋时针方向与磁性空间分布应表现出严格的对称性,这就为大自然中普遍呈现超对称现象找到一个可信的依据。

  如图-18所示,如果一个正电子在以V0速度进入均匀磁场空间时,它首先在均匀磁场空间入口处被磁场磁极极化而产生180°翻转,然后以电子态形式在均匀磁场中产生洛伦兹运动。

  由此可见,量子力学在与经典电磁学的衔接中,由于经典电磁学缺少了对电子自旋和自旋磁矩性的认知和描述,它就必然与量子力学存在一种不可逾越的天然鸿沟!然而,量子力学在对待电子在磁场中作曲线运动的问题上虽然引入了自旋和自旋磁矩,但却忽略了空间磁场对它们运动的影响,这就使得量子力学在解释自旋粒子的衍射、干涉现象时就不得不引入概念,从波动和概率领域进行诠解 --但这种解释只会让人更迷惑,同时也深深掩盖了自旋磁量子在磁场空间中运动的物理本质!

  因此说,对电子洛伦兹运动形成的真正物理机制探讨才是协调和解决粒子波粒二象性本质问题的根本举措。

  电子在均匀磁场0梯度面上运动时,其洛伦兹运动周期为T=2πm/qB,这是一个与电子运动速度无关的量,且电子自旋轴始终平行于磁场力线。

  电子在回旋加速器中运动也是一种0梯度面上的洛伦兹运动,如图-20所示;但这种运动因外界电场能量的输入会使电子运动速度增大,这时电子运动周期就不T=2πm/qB规律了,这是为什么?

  比较这二个公式,暗示着带电粒子的电量q不随运动速度改变。又如质子所带的正电量与电子所带的负电量非常精确地相等。对于任何一北京专科癫痫病医院是哪家个中性原子,原子核中的质子与核外的电子相等,因此未电离的原子核分子内的正电荷与负电荷数量相等,从而中性原子或分子所带电量非常精确地为0.在这一点上,20世纪60年代报导的实验结果精确度已达10-19乃至10-23以上.我们知道,原子中的电子和质子是处同运动状态下的,例如氢分子内的电子速率有(0.01~0.02)c的数量级,铯原子内K壳层电子的速率至少有0.4c的数量级,而原子核内的质子和中子的速率具有(0.2~0.3)c的数量级,这样的运动并未使原子和分子的电中性产生可观测的偏离,这表明电量不受运动影响,电量是不随参考系的变化而变化的。再如任何物体在加热和冷却时,电子的速度比带正电荷的原子核速度更易受到温度影响,虽然每个电子的速度可能变化不大,但物体中电子的数量极大,如果运动确实对电量有影响的话,它可以在物体上获得可观察的电量;然而上,中性物体在任何温度下总是保持宏观上的电中性,实验中从来没有观察到仅仅通过加热或冷却的方式在物体上获得电量的……[4]

  (1)、我们在没有真正测量过一个运动系统总质量有没有变化的情况下就断然假设电子质量有变化,这是不符合物理研究精神的;再说,q/m会随电子运动速度的增大而产生变化,并不一定是m变化了,q为什么就不可以变化呢?

  (注:麦克斯韦在推理光速及确定光是一种电磁波时也是用的这一关系式,那么,qmH=qvB能够成立吗?如果不能成立,那么麦克斯韦电磁波理论将成立?如果能成立,那又是为什么呢?-详解请参阅司今/《库伦磁场强H与高斯磁场强B到底有什么异同?》一文)。

  在回旋加速器中,由于这种洛伦兹运动有外加电场力作用于电子上,这就构成了一个三体运动系统的形式(即自旋电子、电极、磁极构成三体),这时自旋电子运动则遵循P=mc= mv+mv自、E=mc2 =mv2+ mv自2守恒(v是电子平动速度,v自是电子自旋速度),即

  因r自(r自是电子刚体自旋半径,ω自是电子自旋角速度)、B为不变量,当v增大时则v自会变小,即ω自变小,这时T就必然会增大--这与爱因斯坦给出的结论相一致,只是数学描述形式不同罢了。

  磁场非0梯度面就是处于磁场0梯度面空间之上或之下的平面,自旋磁陀螺在这样的磁场空间运动与在0 梯度面上的运动就有很大差异,具体分析如下:

  如图-21所示,当一个自旋磁陀螺从0梯度面之上或下空间进入磁场时,由于磁陀螺自旋轴上下端受磁场N、S极的引力不平衡,则越靠近磁场磁极处磁场强度B会越大,如B1B0.

  依据T=2πm/qB则有T1T0;依据r=mv/qB则r也减小,依据F梯= kmqm1qm2cosθ/z2,(θ为磁陀螺自旋轴与磁力线之间的夹角)则F梯会增大,这样自旋磁陀螺就会形成了一个锥螺旋运动轨迹。

  如图-23所示,磁陀螺作螺旋运动的瞬间速度V的水平分量仍是V0(这与电子在0梯度面上的洛伦兹运动情况相一致),它速度增大的部分来自于V梯,即有V= V0 + V梯.

  如图-24所示,磁陀螺在均匀磁场的非0梯度面 产生θ角倾斜的进动,这种进动遵循Ω·ω=K守恒,即θ越大(θ2θ10),其进动角速度也越大(Ω2Ω1),但自旋角速度变小(ω0ω1ω2),进动角速度来自于自旋角速度的减小。

  如图-25所示,如果磁陀螺平动速度V0大,能够穿过磁场空间,则磁场磁极对磁陀螺轴的作用力将逐渐消失,磁陀螺又恢复了自由运动形式,这治疗癫痫病去哪里好时磁陀螺的自旋加速度仍是ω0,但其线,因V梯参与了V的合成运动,即V= V0+V梯,并且它将以V⊥ω0的姿态进入自由运动状态。

  柱螺旋运动判断仅是从电子在磁场0梯度面内运动情况来考虑问题的,并没有从电子有自旋、自旋磁矩及磁场空间存在非0梯度面等影响因素方面予以分析;如果从自旋电子带有自旋磁矩性和非0梯度面二方面因素来考虑,则因自旋磁轴二端所受磁场磁极力不相等,这时电子自旋磁轴在均匀磁场中运动时就会产生一定倾斜角θ,并且电子在向磁场磁极靠近时,依据H=kmQm/z2(Qm是磁场磁极磁荷量),则H是一个逐渐增大量,因此说,这种运动并不会产生标准的柱螺旋运动,而是一种锥螺旋运动形式,如图-27示;如果说可以产生柱螺旋运动,那也只能是在磁场0梯度面附近沿磁力线较短距离空间范围内近似符合罢了。

  现代物理学在讨论在电子均匀磁场空间中运动时忽略了磁场磁极对电子自旋磁轴的影响,即忽略了均匀磁场有非0梯度面存在的情况;当电子初速度v不与磁场B垂直时,电子会在不同运动位置点产生磁极梯度力差。因此,从这个意义上讲,真正的柱螺旋运动是不存在的,那只是对均匀磁场空间极短距离范围内的一种理想的近似描述。

  (1)、保证空间磁场分布绝对均匀,否则电子会在磁场中作漂移曲线)、保证电子射入磁场的速度V与磁场B方向严格垂直,否则电子会在磁场中作螺旋曲线)、保证电子射入位置在偶极磁场的中心线磁场梯度面),否则电子会在磁场中作螺旋曲线运动。

  对于不符合电子洛伦兹运动条件的问题曾在回旋加速器制作初期应用中出现过,为了克服这些不利因素影响,现代回旋加速器设备中分别增设了径向聚焦和垂直聚焦等额外磁场来保证电子在加速器磁场中作正常的洛伦兹运动,从而使电子能够在电场加速下形成稳定的平面渐开线-电子漂移运动 电子径向聚焦 电子垂直聚焦[7]

  位置射入时,在B1N、B1S平面,因电子自旋磁轴二端所受磁场磁极的梯度力就不相等,这时电子磁轴在均匀磁场中作切割磁力线运动时就会产生一定倾斜角θ,并且电子会向磁场磁极靠近;这样,电子作锥螺旋运动的速度就是由洛伦兹平面圆运动速度+磁场梯度力速度合成的,即符合V=V0+Vz矢量合成法则。

  (1)、在均匀磁场非0梯度面与非均匀磁场中,自旋磁电子都会产生锥螺旋运动,且电子运动速度都会增大,但这不同于回旋加速器电子运动速度增大的情况,因前者没有外界能量输入,是一种自发式的锥螺旋速度增大运动,后者有外界能量输入,是一种强制式的速度增大运动。

  (2)、在施特恩-格拉赫实验中,自旋粒子运动速度也会增大,但这是由倒三角磁场磁极使自旋粒子磁轴产生倾斜而影响其曲线运动速度的结果;同时还要注意,施特恩-格拉赫实验系统也是个没有外界能量输入的系统--详情请参阅司今/《从磁陀螺运动谈粒子衍射形成的物理机制》一文。

  经典电磁学研究电子在磁场中作洛伦兹运动时并没有引入电子的最基本属性,即自旋和自旋磁矩性,如果我们从电子这一基本属性出发,就可以将电子看做是一个微观自旋磁陀螺,那么它以一定速度通过磁场空间时就必然会与磁场磁极产生作用--这就与宏观自旋磁陀螺在磁场中运动形成的物理机制相类似。

  如果我们能够真正从粒子自旋和自旋磁矩这一本质属性入手,磁场空间磁极属性去探讨微观世界问题,那么量子力学就将会带着她目前的成果回归到经典物理世界中来--洛伦兹运动问题就是大自然对微观世界最好的映射和回答!

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