质谱仪和回旋加速器【知识精讲+拓展提升+迁移训练】 高二物理 课件（人教版2019选择性必修第二册）

第一章安培力和洛伦兹力1.4

质谱仪和回旋加速器知识回顾

微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？洛伦兹力提供向心力科学探究

在科学研究和工业生产中，常常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。你能如何分离不同比荷的带电粒子？科学探究（1）先加速猜想一：（2）再偏转（类平抛运动）由水平

由竖直

由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。U0LyUdm,q先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：电场加速磁场偏转猜想二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：得：

由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。一、质谱仪

让某种中性气体分子在电离室A内被电离成离子，大量的电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U加速后，经S.孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线。1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。2.结构及作用：①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子②加速电场：使带电粒子获得速度③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器3.原理：加速电场U1：速度选择器E，B：偏转磁场B0：原理图

加速电场速度选择器

在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为x

=2

r比荷:质量:m不同，r

就不同4、作用：①可测粒子的质量及比荷②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素

A.进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚B.进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚C.在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚D.a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚A科学探究要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。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“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器直线加速器能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？北京正负电子对撞机202米欧洲强子对撞磁场加速器

几公里Um,qB

用磁场控制轨道，用电场进行加速粒子的装置---回旋加速器二、回旋加速器1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。劳伦斯第一台回旋加速器1、结构及作用：二、回旋加速器①两个大磁极：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。②两个D形盒：D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒子的圆周运动不受电场影响。③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。接高频电源狭缝原理图粒子源

2、原理

：二、回旋加速器（1）为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？思考与讨论

由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。（2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？二、回旋加速器思考与讨论磁场周期：电场周期：T电

T磁=

2.条件：

2.条件：思考与讨论

（3）在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。

（4）回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期?（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？思考与讨论3.带电粒子的最终能量半径公式得若D

形盒半径为R，则带电粒子的最终动能可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度B

和D

形盒半径R

有关。当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由超导回旋加速器

这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。美国费米实验室

目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。

例1.（多选）1932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，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是(

)A．带电粒子由加速器的中心附近进入加速器B．带电粒子由加速器的边缘进入加速器C．电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转D．离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关ACD

例2.回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中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D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时的动能