1.4质谱仪与回旋加速器课件-高二下学期物理人教版选择性2

回顾旧知（1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的条件？（2）在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期计算公式？在科学研究和工业生产中，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。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？引入新课：质谱仪与回旋加速器分开比荷不同的带电粒子的方案猜想一：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：U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏转（类平抛运动）由：得：纵向：横向：得：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。分开比荷不同的带电粒子的方案猜想二：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：（1）先加速（2）再偏转(匀速圆周运动）由：得：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。U0Bm,q一、质谱仪（初代）

思考：初速度不等于0的话，结果怎样？

弊端：初速度不等于0的话，区别不开。一、质谱仪（升级版）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。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：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场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3、原理：电离室加速电场偏转磁场照相底片

例1.

质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求：（1）粒子射出加速器时的速度v为多少？（2）速度选择器的电压U2为多少？（3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？解析：（1）在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有，得（2）在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等，即，代入v值得（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径，代入v值得上图所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从P2飞向P3、从P4飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。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二、回旋加速器1、回旋加速器：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的装置。2、结构及作用：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形扁平铜盒：使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。二、回旋加速器3、原理：带电粒子在D形盒中运行的周期：（1）加速条件每过电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。电场的变化周期要等于粒子的运动周期：二、回旋加速器3、原理：（2）粒子最大动能：（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。例2、回旋加速器的工作原理如图1所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为U0，周期T＝。一束该种粒子在t＝0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用。求：(1)出射粒子的动能Em；(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间。(1)出射粒子的动能Em；粒子的速度增大轨道半径增大，当粒子的轨道半径等于D形金属盒半径为R时，粒子的动能最大，根据此时洛伦兹力提供向心力即可求得最大速度。

思路导引：完全解答：离子在磁场中做匀速圆周运动：又：完全解答：所以粒子运动的总时间：(2)设粒子被加速n次达到动能Em则Em＝nqU0，解得

粒子在狭缝间的运动可等效成匀加速直线运动，设n次经过狭缝