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3

1.4质谱仪与回旋加速器第一章安培力与洛伦兹力知识回顾：带电粒子匀强磁场中做圆周运动的轨道半径和周期与什么因素有关？

为了便于存取，超市不同种类的豆子是分开存放

太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子为了了解这些粒子都是什么种类的粒子，我们也需要将这些粒子分开来研究。新课引入新课引入

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？思考与讨论：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。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。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。（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质谱仪PARTONE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。质谱仪的结构及作用加速电场偏转磁场照相底片电离室①加速电场：使带电粒子获得速度②偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离③照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径④电离室：使中性气体电离，产生带电粒子(1)先在电场中加速：由动能定理得：由此可得：(2)后在磁场中偏转：向心力为受的洛伦兹力提供，即所以粒子的轨道半径为质谱仪的原理粒子比荷不同，轨道半径也不同，即可区分开来。质谱仪的作用通过质谱仪，可以将未知粒子与已知粒子半径对比发现未知的元素和同位素；此外，还可以通过质谱仪计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径r,则有：电离室加速电场偏转磁场照相底片若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？质谱仪的改进原理图

加速电场速度选择器电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器速度选择器E，B：偏转磁场B0：观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？例1．质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点。设P到S1的距离为x，则（）A．只要x相同，对应的离子质量一定相同B．只要x相同，对应的离子电荷量一定相同C．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大D．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小C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”。如何产生极高能量的粒子？粒子加速粒子加速器可以通过什么样的方法使粒子加速？问题思考：

1.单级加速器·＋－Umq粒子获得的能量：Ek=Uq缺点:受实际能达到的电压限制,所获能量并不太高

直线加速器设电子进入第n个圆筒后的速度为v，根据动能定理有：得第n个圆筒的长度为缺点:多级直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。2.多级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

几公里回旋加速器PARTTWO1932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进行多级加速。回旋加速器1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.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。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。回旋加速器的结构及作用接高频电源狭缝原理图粒子源

（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。回旋加速器的原理（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？思考与讨论磁场周期：电场周期：T电

T磁=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?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，由我国最近自主研发成功的超导回旋加速器。回旋加速器的应用粒子的能量会随着回旋加速器D形盒半径的增大而无限增大吗？带电粒子加速后速度增大,周期需要改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？改进：回旋加速器的改进例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；(1)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。

离子在磁场中做匀速圆周运动：又：(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间。思路导引：（2）粒子运动存在于两个空间，一是狭缝间电场力使之做匀加速运动，二是D形金属盒中洛伦兹力使之做匀速圆周运动。粒子在狭缝间的运动可等效成连续的匀加速直线运动，根据最大动能可求得加速的时间；根据最大动能可求得加速的次数，从而求得粒子做完整圆周运动的次数，进而求得