质谱仪与回旋加速器课件-高二下学期物理人教版选择性

第一章安培力与洛伦兹力第4节

质谱仪与回旋加速器

知识回顾带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径和周期怎样计算？洛伦兹力提供向心力

问题探究提示：氕、氘、氚这三种带电粒子的电荷量相同、质量不同，即它们的比荷不同。方案设计:可使这三种带电粒子在电场或磁场中运动，若它们在电场

或磁场中的运动轨迹不同，就能将其分开。

带电粒子在加速电场中沿同一条直线运动，自然无法将其分开；猜想一:尝试用匀强电场使其分离

问题探究①.用电场加速

若使带电粒子在电场中偏转（类平抛运动）呢？（偏转前需要初速度，即可以尝试使粒子在电场中先加速后偏转，看其运动轨迹是否相同）猜想一:尝试用匀强电场使其分离

问题探究②.用电场先加速再偏转粒子的轨迹与粒子的比荷无关，无法将它们分开猜想二:尝试用匀强磁场使其分离

问题探究磁场只能使运动电荷偏转，故需要对粒子先用电场加速后再进入偏转磁场。

比荷不同的带电粒子的半径不同，

此法可以把比荷不同的粒子分开。

研究中让大量q相同，m不同的带电粒子从电离室A的小孔

s1“飘”加速电场被加速后，再经s3孔进入匀强磁场做圆周运动，最后打在照相底片D上。由于其圆周运动的轨道半径不同，打在照相底片D的位置也就不同。科学研究中常用此来分析同位素和测量带电粒子质量。一、质谱仪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。一、质谱仪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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离④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一、质谱仪3.工作原理:加速时：

若粒子比荷不同，做圆周运动的半径不同，因此打到的位置就不同。质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具: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。偏转时：氕、氘、氚氕、氘、氚氕、氘、氚D.a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚例1.

如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为

，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是（

A

）

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”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。（思考:使带电粒子加速，用电场还是磁场？）

问题探究用电压为U的电场加速：v与U有关，而技术上不能产生过高的电压。用电压直线多级加速：缺点：装置过长，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。斯坦福直线加速器有没有什么办法改进？

二、回旋加速器

二、回旋加速器1.构造:主要由两半圆金属盒D1、D2

构成，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处在匀强磁场中。两D形盒中有匀强磁场没有电场，其作用是使带电粒子回旋（做圆周运动）；盒间缝隙有电场，其作用是使带电粒子加速。

要使带电粒子每次经过缝隙时都被加速，带电粒子偏转半周时电场方向要改变一次，即带电粒子运动一周时间内电场方向变化两次（一个周期）。2.加速条件:电场的变化周期要等于粒子的运动周期3.

粒子获得的最大动能:（离开半径与D形盒半径相同）

对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。

二、回旋加速器

二、回旋加速器4.回旋加速器的局限性——不可无限加速改进：①.在磁场中做圆周运动，周期不变②.每一个周期加速两次③.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同④.电场一个周期中方向变化两次⑤.粒子加速的最大速度由盒的半径决定⑥.电场加速过程中,时间极短,可忽略

二、回旋加速器5.

回旋加速器的特点例2.如图为回旋加速器示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知D形盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q，已知质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（BC