质谱仪和回旋加速器

1、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问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况 - B v + + v B 思考：思考：1.1.如图，带点粒子沿磁感线如图，带点粒子沿磁感线进入磁场（进入磁场（vBvB），则它在），则它在磁场中怎样运动呢？磁场中怎样运动呢？2.2.若带点粒子垂直于磁感线若带点粒子垂直于磁感线进入磁场（进入磁场（vBvB），则它在），则它在磁场中怎样运动呢？磁场中怎样运动呢？匀速直线运动匀速直线运动（1 1）当）当v vB B 时时 ，洛伦兹力的方向与速度方向的关系，洛伦兹力的方向与速度方向的关系? ?粒子运动粒子

2、运动的的轨迹平面轨迹平面有何特点？有何特点？（2 2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？（3 3）洛伦兹力在粒子运动过程中如何变化？）洛伦兹力在粒子运动过程中如何变化？理论分析：理论分析：o o q q-问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况 - B v + + v B 思考：思考：1.1.如图，带点粒子沿磁感线如图，带点粒子沿磁感线进入磁场（进入磁场（vBvB），则它在），则它在磁场中怎样运动呢？磁场中怎样运动呢？2.2.带点粒子垂直于磁感线进带点粒子垂直于磁感线进入磁场（入磁场（v

3、BvB），则它在磁），则它在磁场中怎样运动呢？场中怎样运动呢？3.3.粒子运动方向与磁场有一粒子运动方向与磁场有一夹夹角，则它在磁场中怎样运角，则它在磁场中怎样运动呢？动呢？匀速直线运动匀速直线运动匀速圆周运动匀速圆周运动等距螺旋运动等距螺旋运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。1 1、轨道半径、轨道半径带电粒子只受洛伦兹力，作圆带电粒子只受洛伦兹力，作圆周运动，洛伦兹力提供向心力：周运动，洛伦兹力提供向心力：rvmqvB2qBmv

4、r 解得：解得：一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。匀强磁场中做匀速圆周运动。1 1、轨道半径、轨道半径qBmvr 2 2、运行周期、运行周期qBmvrT22（周期跟轨道半径和运动（周期跟轨道半径和运动速率均无关）速率均无关）1.1.两个相同的粒子两个相同的粒子，速度大小不同，轨迹速度大小不同，轨迹如图所示。试分析两如图所示。试分析两轨迹对应粒子速度的轨迹对应粒子速度的大小关系大小关系2.2.比较它们的周期大小比较它们的周期大小.2s3s1s照相底片照相底片质

5、谱仪的示意图质谱仪的示意图二、质谱仪二、质谱仪利用电场利用电场加速加速利用磁场利用磁场偏转偏转质谱仪是一种分析同质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子位素、测定带电粒子比荷及测定带电粒子比荷及测定带电粒子质量的重要工具。质量的重要工具。mqUv2qmUBr21偏转：qBmvr 质谱仪质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖的，他用质谱仪发现了氖2020和氖和氖2222，证实，证实了同位素的存在。现在质谱仪已经是一种了同位素的存在。现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量测量带电粒子的质量和和分析同位素分析同位素的重

6、要工具。的重要工具。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。三、回旋加速器三、回旋加速器 解决上述困难解决上述困难的一个途径是把加的一个途径是把加速电场速电场“卷起来卷起来”，用磁场控制轨迹，用磁场控制轨迹，用电场进行加速。用电场进行加速。三、回旋加速器三、回旋加速器原理：原理：电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。BqmT2回旋周期：回旋周期： ，与半