带电粒子在匀强磁场中的运动第课时

1、第第2 2课时课时 3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动第三章第三章 磁场磁场 质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子比荷质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子比荷及测定带电粒子质量的重要工具。及测定带电粒子质量的重要工具。二、质谱仪二、质谱仪利用电场加速利用电场加速.2s3s1s照相底片照相底片质谱仪的示意图质谱仪的示意图U二、质谱仪二、质谱仪qmU21rv2B得：式代入第qBmvrrmvqvB2)( . 121加速电场SSmqUvmvqU2212)( . 23匀强磁场下方S工作原理工作原理 可见半径不同意味着比可见半径不同意味着比荷不同，意味着它们是不荷不同，意味着它们

2、是不同的粒子同的粒子.1p2p+-2s3s1s速度选择器照相底片质谱仪的示意图质谱仪的示意图rBBEmq21/比荷：荷质比21222BqBmEqBmvrrmvqvB（速度选择器）：21 . 2PP)( . 121加速电场SS11BEvqvBqE)( . 33匀强磁场下方S二、质谱仪二、质谱仪.1p2p+-2s3s1s速度选择器照相底片质谱仪的示意图质谱仪的示意图rmvqvB22（速度选择器）：21 . 2PP)( . 121加速电场SS1qvBqE )( . 33匀强磁场下方S二、质谱仪二、质谱仪由上可得：由上可得：EqrBBm21测量带电粒子的质量测量带电粒子的质量221mvqU 例例 质谱

3、仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源要工具，它的构造原理如图，离子源S S产生的各种不同正离子产生的各种不同正离子束束( (速度可看作为零速度可看作为零) )，经加速电场加速后垂直进入有界匀强，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片磁场，到达记录它的照相底片P P上，设离子在上，设离子在P P上的位置到入上的位置到入口处口处S S1 1的距离为的距离为x x，可以判断（，可以判断（ ）（双选）（双选） A A、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则x x越大，离子质量越大越大，离子质量越大

4、B B、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则x x越大，离子质量越小越大，离子质量越小 C C、只要、只要x x相同，则离子质量一定相同相同，则离子质量一定相同 D D、只要、只要x x相同，则离子的荷质比一定相同相同，则离子的荷质比一定相同 例例如图所示，一质量为如图所示，一质量为m m，电荷量为，电荷量为q q的粒子从的粒子从容器容器A A下方小孔下方小孔S S1 1飘入电势差为飘入电势差为U=U=800V800V的加速电场，的加速电场，然后经过然后经过S S3 3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为为B B=0.40T=0.40T的匀强磁场中，最后

5、打到底片的匀强磁场中，最后打到底片D D上上. .测得测得粒子在磁场中运动的轨道半径为粒子在磁场中运动的轨道半径为r=5cmr=5cm。求带电粒。求带电粒子的比荷是多少？子的比荷是多少？c/kg100 . 46答案：答案： 例例 如图所示，如图所示，a a、b b、c c、d d为四个正离子，电量相等，为四个正离子，电量相等，速度大小关系为速度大小关系为v va av vb b= v= vc cv vd d，质量关系为，质量关系为m ma a= m= mb bm mc c= m= md d，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P P1 1

6、板，板，一粒子射向一粒子射向P P2 2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在磁场，分别打在A A1 1和和A A2 2两点。则射到两点。则射到P P1 1板的是板的是_粒子，射粒子，射到到P P2 2板的是板的是_粒子，打在粒子，打在A A1 1点的是点的是_粒子，打在粒子，打在A A2 2点的点的是是_粒子。粒子。adcb三、回旋加速器三、回旋加速器 要认识原子核内部的情况，必须把核要认识原子核内部的情况，必须把核“打开打开”进行进行“观察观察”。然而，原子核被强大的核力约束，。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为只

7、有用极高能量的粒子作为“炮弹炮弹”去轰击，才能去轰击，才能把它把它“打开打开”。产生高能。产生高能“炮弹炮弹”的的“工厂工厂”就是就是各种各样的粒子加速器。各种各样的粒子加速器。三、回旋加速器三、回旋加速器1.1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，使带电粒子的动能增加，qU=qU= E Ek k2.2.直线加速器，多级加速直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图：3.3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。+U+三、回旋加速器三、回旋加速器

8、 解决上述困难的一个途径是把加速电场解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来卷起来”，用磁场控制轨迹，用电场进行加速。用磁场控制轨迹，用电场进行加速。 回旋加速器的核心部分是回旋加速器的核心部分是形金属盒，形金属盒，两两形盒之间留有窄缝，中心附近放置离形盒之间留有窄缝，中心附近放置离子源子源( (如质子、氘核或如质子、氘核或 粒子源等粒子源等) )。在两。在两形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成一个交变电场。一个交变电场。形盒装在一个大的真空形盒装在一个大的真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，这磁场的方

9、向垂直于之间的强大磁场中，这磁场的方向垂直于形盒的底面。形盒的底面。1 1、作用：产生高速运动的粒子作用：产生高速运动的粒子2 2、原理：、原理：用磁场控制轨道、用电场进行加速用磁场控制轨道、用电场进行加速+- +-三、回旋加速器三、回旋加速器原理：原理：OsV1V2V3V4V5V6V7运动周期运动周期BqmT2持续加速的条件：持续加速的条件：T回旋回旋= T交变交变3.3.有关回旋加速器的几个特征量：有关回旋加速器的几个特征量：1）运动周期和频率：）运动周期和频率：BqmT2BqmvR 可根据粒子的质量和电量调整磁感应强度和交流电可根据粒子的质量和电量调整磁感应强度和交流电压的频率使压的频率

10、使T回旋回旋= T交变交变2）最大速度：）最大速度： 当当B、m、q一定时，一定时，粒子能获得的最粒子能获得的最大速度决定于盒半径大速度决定于盒半径。因为因为所以所以mBqRvm3 3）带电粒子的最终能量）带电粒子的最终能量 当带电粒子的速度最大时，其运动半当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大径也最大，若若D D形盒的半径为形盒的半径为R R，则带电粒，则带电粒子的最终动能：子的最终动能：mRBqmvEm2212222与加速电压无关，与加速电压无关，由半径决定。由半径决定。回旋加速器回旋加速器 此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV1MeV的能量，的能量，为此为此

11、19391939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖. .19321932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D D型室型室. .三、回旋加速器三、回旋加速器三、回旋加速器三、回旋加速器我国于我国于1994年建成的第一台强流质子加速年建成的第一台强流质子加速器器 ，可产生数十种中短寿命放射性同位素，可产生数十种中短寿命放射性同位素 .1 1、关于回旋加速器，下列说法正确的是（关于回旋加速器，下列说法正确的是（ ） A A电场和磁场都是用来加速粒子的电场和磁场都是用来加速粒子的B B电场用来加速粒子，磁场仅使粒子做圆周运动电场用来加速粒子，磁场仅使粒子做圆

12、周运动C C粒子经加速后具有的最大动能与加速电压值有关粒子经加速后具有的最大动能与加速电压值有关D D为了使粒为了使粒子不断获得加速，粒子圆周运动的周期子不断获得加速，粒子圆周运动的周期等于交流电的半周期等于交流电的半周期2：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是是( )（双选）（双选）A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在、磁场的作用是使

13、带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动形盒中做匀速圆周运动CD3 3、回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心的部分分、回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心的部分分别与高频交流电极相连的两个别与高频交流电极相连的两个D D形金属盒。两盒间的狭中形金属盒。两盒间的狭中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两到加速，两D D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。要增大带电粒子射出的动能，则下列说法中如图所示。要增大带电粒子射出的动能，则下列说法中正确的是（正确的是（ ）（双选）（双选）A.A.增

14、大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压B.B.增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度B BC.C.减少狭缝间的距离减少狭缝间的距离D.D.增大增大D D形金属盒的半径形金属盒的半径4 4、19321932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示其原理如图所示. .这台加速器由两个铜质这台加速器由两个铜质D D形盒形盒D D1 1、D D2 2构成，其间留有空隙构成，其间留有空隙. .下列说法正确的是下列说法正确的是( )( )（双选）（双选）A.A.离子由加速器的中心附近进入加速器离子由加速器的中心附近进入加速器 B.B.离子由加速器

15、的边缘进入加速器离子由加速器的边缘进入加速器C.C.离子从磁场中获得能量离子从磁场中获得能量 D.D.离子从电场中获得能量离子从电场中获得能量答案答案: AD5 5、回旋加速器回旋加速器D D形盒中央为质子流，形盒中央为质子流，D D形盒的交流电压为形盒的交流电压为U U，静，静止质子经电场加速后，进入止质子经电场加速后，进入D D形盒，其最大轨道半径为形盒，其最大轨道半径为R R，磁场，磁场的磁感应强度为的磁感应强度为B B，质子质量为，质子质量为m m，求，求: : (1)(1)质子最初进入质子最初进入D D形盒的动能多大形盒的动能多大? ? (2)(2)质子经回旋加速器最后得到的动能多大

16、质子经回旋加速器最后得到的动能多大? ? (3)(3)交流电源的频率是多少交流电源的频率是多少? ?222(1)(2)(3)22e B ReBeUmm答案：6、回旋回速器是用来加速带电粒子使其获得很大动能的仪器，回旋回速器是用来加速带电粒子使其获得很大动能的仪器，其核心部分是两个其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源的两极相接，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每的两极相接，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出粒子直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出粒子的电荷量为的电荷量为q，质量为，质量为m，粒子的最大回旋半径为，粒子的最大回旋半径为Rm，其运动，其运动轨迹如图所