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द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर और साइक्लोट्रॉन

चुंबकीय बल हमेशा गति की दिशा से समकोण पर लगता है, इसलिए चुंबकीय क्षेत्र में आवेश वृत्त में घूमता है, जिसकी त्रिज्या r = mv/qB होती है। द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर में पहले वोल्टता V से आयन को तेज़ करते हैं, फिर क्षेत्र B में मोड़ते हैं। भारी आयन बड़ा वृत्त बनाता है (r = (1/B)√(2mV/q)), इसलिए द्रव्यमान पता चल जाता है। साइक्लोट्रॉन में कण दो D-आकार के डिब्बों में घूमता है और हर बार गैप पार करने पर धक्का पाता है। हर आधे चक्कर का समय बराबर रहता है, इसलिए कण की ऊर्जा बढ़ती है और वृत्त बड़ा होता जाता है (f = qB/2πm)।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. फ़र्श पर चुंबकीय क्षेत्र पन्ने के अंदर की ओर है (क्रॉस के निशान)। जो आवेश खड़ा है, उस पर चुंबकीय बल बिलकुल नहीं लगता।
  2. अब आवेश चल रहा है। चुंबकीय बल उसे हमेशा रास्ते से समकोण पर, बगल में धकेलता है। इसलिए वह वृत्त में घूमता है। चाल या क्षेत्र बदलकर त्रिज्या बदलते देखो।
  3. द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर, पहला चरण। वोल्टता आयन को तेज़ करती है, फिर आयन झिरी से क्षेत्र में जाकर आधे वृत्त में मुड़ता है। वह प्लेट पर दूरी d = 2r पर गिरता है।
  4. अब अलग-अलग द्रव्यमान के दो आयन। भारी आयन (नारंगी) हल्के आयन (नीला) से बड़ा आधा वृत्त बनाता है, इसलिए दोनों अलग जगह गिरते हैं। प्लेट से द्रव्यमान पता चलता है।
  5. साइक्लोट्रॉन। कण दो D-आकार के डिब्बों के बीच में शुरू होता है। हर गैप पर उसे धक्का मिलता है और वह तेज़ होता है, तो वृत्त बड़ा होता है। पर हर आधे चक्कर में समय बराबर लगता है!
  6. खुला खेल। वृत्त, स्पेक्ट्रोमीटर और साइक्लोट्रॉन बदलकर देखो और स्लाइडर चलाओ। स्लाइडर चलाने से पहले अंदाज़ा लगाओ कि क्या बदलेगा।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अगर चुंबकीय बल कार्य नहीं करता, तो साइक्लोट्रॉन कण को ऊर्जा कैसे देता है?

ऊर्जा गैप के विद्युत क्षेत्र से आती है, चुंबक से नहीं। चुंबक केवल कण को वृत्त में रखता है और उसे वापस गैप तक लाता है।

तेज़ कण अपना चक्कर जल्दी पूरा क्यों नहीं करता?

उसे बड़ा वृत्त पूरा करना होता है। ज़्यादा चाल और ज़्यादा दूरी कट जाते हैं, इसलिए समय वही रहता है: T = 2πm/qB।

भारी आयन स्पेक्ट्रोमीटर में ज़्यादा दूर क्यों गिरता है?

बड़े द्रव्यमान के कारण उसे मोड़ना कठिन है। उसका वृत्त बड़ा है, r ∝ √m, इसलिए d = 2r भी बड़ा है।

आयन को पहले वोल्टता से तेज़ क्यों किया जाता है?

ताकि समान आवेश वाले हर आयन की शुरुआती ऊर्जा qV एक जानी-पहचानी हो। तब त्रिज्या केवल द्रव्यमान से बदलती है।

डी के अंदर विद्युत क्षेत्र क्यों नहीं होता?

खोखले धातु के डिब्बे अंदर क्षेत्र को रोक देते हैं। इसलिए कण बिना किसी धक्के के सीधे वृत्त में घूमता है। धक्का केवल गैप में मिलता है।

चुंबकीय क्षेत्र स्थिर आवेश को क्यों नहीं धकेलता?

बल qvB है। v = 0 हो तो बल शून्य है। चुंबक के असर के लिए आवेश का चलना ज़रूरी है।

चुंबकीय क्षेत्र में चलता आवेश

चुंबकीय क्षेत्र केवल चलते आवेश पर बल लगाता है। यह बल हमेशा वेग से समकोण पर होता है। बगल का धक्का कण को मोड़ सकता है, पर उसे तेज़ या धीमा नहीं कर सकता। इसलिए चाल वही रहती है और रास्ता वृत्त बन जाता है।

चुंबकीय बल qvB ही वह बल है जो केंद्र की ओर खींचता है। इसे आवश्यक अभिकेंद्र बल mv²/r के बराबर रखो:

qvB = mv²/r, अतः r = mv/(qB)

एक पूरे चक्कर का समय: T = 2πr/v = 2πm/(qB)। इसमें चाल v कट जाती है। तेज़ कण बड़ा वृत्त बनाता है, पर उसे घूमने में उतना ही समय लगता है।

द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर: आयनों को द्रव्यमान से छाँटना

द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर परमाणुओं या अणुओं का द्रव्यमान मापता है। इसके तीन काम हैं।

  1. आयन बनाना। नमूने को आवेश q दिया जाता है।
  2. तेज़ करना। आयन वोल्टता V से गुज़रकर ऊर्जा qV पाता है। अतः ½mv² = qV और v = √(2qV/m)।
  3. मोड़ना। आयन झिरी से चुंबकीय क्षेत्र B में जाकर आधे वृत्त में घूमता है और प्लेट पर दूरी d = 2r पर टकराता है।

r = mv/qB में v रखने पर:

r = (1/B) √(2mV/q), अतः m = qB²r²/(2V)

q, V और B समान हों तो r ∝ √m। भारी आयन झिरी से ज़्यादा दूर गिरता है। एक ही तत्व के दो समस्थानिक (आवेश बराबर, द्रव्यमान थोड़ा अलग) प्लेट पर दो अलग निशान बनाते हैं। निशान की जगह से द्रव्यमान और निशान की गहराई से मात्रा पता चलती है।

साइक्लोट्रॉन: कणों को छोटे-छोटे धक्कों से तेज़ करना

कम वोल्टता से बहुत ऊर्जा देने के लिए साइक्लोट्रॉन उसी वोल्टता का बार-बार इस्तेमाल करता है।

हर धक्के से चाल बढ़ती है, तो r ∝ v के कारण वृत्त बड़ा होता है। रास्ता बाहर की ओर फैलती कुंडली (स्पाइरल) जैसा बनता है।

मुख्य बात: हर आधे चक्कर का समय πm/(qB) है, चाहे वृत्त छोटा हो या बड़ा। इसलिए पूरी यात्रा में एक ही आवृत्ति काफ़ी है:

f = qB/(2πm) (साइक्लोट्रॉन आवृत्ति)

साइक्लोट्रॉन की ऊर्जा और सीमाएँ

कण डी के किनारे पर, जहाँ r = R है, बाहर निकलता है। तब v = qBR/m और अंतिम गतिज ऊर्जा

KE = q²B²R²/(2m)

ज़्यादा ऊर्जा के लिए B या R बढ़ाना पड़ता है। यह गैप की वोल्टता पर निर्भर नहीं है; कम वोल्टता का मतलब बस ज़्यादा चक्कर।

सीमाएँ: (1) प्रकाश की चाल के पास पहुँचने पर द्रव्यमान बढ़ने लगता है और समय का तालमेल बिगड़ जाता है। (2) इलेक्ट्रॉन बहुत हल्के हैं और जल्दी ऐसी चाल पा लेते हैं, इसलिए साइक्लोट्रॉन प्रोटॉन और भारी आयनों के लिए होते हैं। (3) बहुत बड़ा चुंबक महँगा पड़ता है।

करके देखो: प्रयोग

करके देखो: 3D में वृत्त चुनो। पहले सोचो कि चाल दुगुनी करने पर r का क्या होगा, फिर जाँचो। एक चक्कर के समय का क्या होगा, यह भी सोचो। फिर स्पेक्ट्रोमीटर चुनो और भारी द्रव्यमान 4 कर दो। अंदाज़ा लगाओ कि उसका निशान हल्के आयन से कितना दूर है (उत्तर: दुगुना दूर, क्योंकि √4 = 2)। घर पर: धागे में गेंद बाँधकर घुमाओ। लंबा धागा या तेज़ गेंद बड़े r जैसा है। धागा वही बल है जो रास्ते को मोड़ता है, जैसे B।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक प्रोटॉन (m = 1.67 × 10⁻²⁷ kg, q = 1.6 × 10⁻¹⁹ C) 0.50 T के क्षेत्र में, क्षेत्र से समकोण पर, 3.0 × 10⁶ m/s से आता है। उसके पथ की त्रिज्या निकालो।

r = mv/(qB) = (1.67 × 10⁻²⁷ × 3.0 × 10⁶)/(1.6 × 10⁻¹⁹ × 0.50) = 5.01 × 10⁻²¹ / 8.0 × 10⁻²⁰ = 0.063 m = 6.3 cm।

2. ऊपर के उदाहरण में कण की चाल दुगुनी कर दें तो त्रिज्या और एक चक्कर के समय का क्या होगा?

r ∝ v, इसलिए r दुगुना होकर 12.6 cm हो जाएगा। T = 2πm/qB में v नहीं है, इसलिए एक चक्कर का समय वही रहेगा।

3. 1.0 T के क्षेत्र में एक प्रोटॉन घूम रहा है। साइक्लोट्रॉन आवृत्ति निकालो।

f = qB/(2πm) = (1.6 × 10⁻¹⁹ × 1.0)/(2π × 1.67 × 10⁻²⁷) = 1.52 × 10⁷ Hz, लगभग 15 MHz।

4. एक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर में एकल आवेशित नियॉन-20 आयन झिरी से 20.0 cm पर गिरते हैं। नियॉन-22 आयन कहाँ गिरेंगे (V और B वही)?

d ∝ √m। d₂ = 20.0 × √(22/20) = 20.0 × 1.0488 = 20.98 cm, यानी लगभग 21.0 cm। दोनों समस्थानिक लगभग 1 cm दूर हैं।

5. एक प्रोटॉन और एक ऐल्फ़ा कण (द्रव्यमान 4 गुना, आवेश 2 गुना) को एक ही V से तेज़ करके एक ही B में भेजा जाता है। उनकी त्रिज्याओं की तुलना करो।

r = (1/B)√(2mV/q), अतः r ∝ √(m/q)। ऐल्फ़ा के लिए √(4/2) = √2 गुना। rα : rp = 1.41 : 1।

6. एक साइक्लोट्रॉन के डी की त्रिज्या 0.50 m और क्षेत्र 1.5 T है। बाहर निकलने वाले प्रोटॉन की ऊर्जा MeV में निकालो।

v = qBR/m = (1.6 × 10⁻¹⁹ × 1.5 × 0.50)/(1.67 × 10⁻²⁷) = 7.2 × 10⁷ m/s। KE = ½mv² = 4.3 × 10⁻¹² J। इसे 1.6 × 10⁻¹³ J/MeV से भाग दो: लगभग 27 MeV।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. आवेश चुंबकीय क्षेत्र से समकोण पर चलता है। उसका पथ होगा:
2. वृत्त की त्रिज्या है:
3. द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर में आवेश, V और B समान हों तो भारी आयन गिरता है:
4. साइक्लोट्रॉन में प्रत्यावर्ती वोल्टता की आवृत्ति है:
5. कण साइक्लोट्रॉन में बाहर की ओर घूमता है, तो हर आधे चक्कर का समय:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर आसान शब्दों में क्या है?

यह परमाणुओं को तौलने वाली मशीन है। वोल्टता से आयनों को तेज़ करती है, चुंबक से मोड़ती है और जहाँ वे गिरते हैं उससे द्रव्यमान बता देती है।

साइक्लोट्रॉन एक ही आवृत्ति पर क्यों चलता है?

तेज़ कण बड़े वृत्त में घूमता है और दोनों असर कट जाते हैं। हर आधे चक्कर में समय πm/qB ही लगता है, इसलिए वोल्टता एक ही रफ़्तार से पलट सकती है।

चुंबकीय क्षेत्र कण को तेज़ क्यों नहीं कर सकता?

चुंबकीय बल हमेशा गति से समकोण पर होता है, इसलिए वह कोई कार्य नहीं करता। वह वेग की दिशा बदलता है, उसका परिमाण नहीं।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

चीन高二Selective 2 Ch.1 Ampère and Lorentz forces

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