质谱仪与回旋加速器（高中物理教学课件）完整版5

04.质谱仪与回旋加速器图片区Pv0如何把带有正电荷、负电荷、不带电的粒子的一束粒子流实现按电性分离？利用电场利用磁场如何实现同位素分离？一.质谱仪同位素电荷量相同，质量不一样。19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。一.质谱仪一.质谱仪一.质谱仪如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。一.质谱仪一.质谱仪例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计．求：(1)粒子从加速电场射出时速度v的大小；(2)粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向；(3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小．典型例题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。问题：如何才能把粒子加速？问题：若一次加速能量不够呢？答：可以设计多级加速器。问题：如何设计多级加速器，能不能象下图这样设计？问题：应该如何设计才能避免减速从而更合理？……+－+－+－二.直线加速器二.直线加速器二.直线加速器二.直线加速器直线加速器优点是结构简单，可以把粒子的能量加速到足够大，缺点是加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困难的.思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？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。三.回旋加速器劳伦斯回旋加速器问题：回旋加速器的结构怎样？它是如何工作的？三.回旋加速器三.回旋加速器结构：两个半径为R狭缝间距为d的D型盒：狭缝加速，内部偏转粒子源：发射被加速的粒子交变电场：反复变化，周期性加速匀强磁场：带电粒子偏转原理：A处的粒子源产生的带电粒子在两盒狭缝间被电场加速，经过半个圆周之后，电场方向改变，粒子再一次在狭缝间加速。粒子在一次一次加速过程中粒子速度逐渐增大，轨道半径也增大，最后获得足够大的动能从出口射出去轰击其它原子。三.回旋加速器三.回旋加速器三.回旋加速器注意：①粒子在一次次加速过程中，速度在不断增加，但周期与速度无关，周期不变，故交变电流周期不需要变化。②由于狭缝比较小，带电粒子运动速度又很大，故一般不计带电粒子在狭缝中运动的时间。（即一般不要考虑电场中运动的时间）③多次加速后粒子的速度慢慢接近光速，这时要考虑相对论效应，故回旋加速器不能把粒子的动能加到很大④优点是占地面积小，可以在比较小的空间内实现粒子的加速三.回旋加速器1.交变电流周期是多少？粒子每转半圈，电场方向改变一次，故电场周期与粒子做圆周运动的周期相同：2.粒子离开回旋加速器速度是多少？带电粒子最后从D型盒边缘离开，此时满足：3.粒子离开回旋加速器动能是多少？三.回旋加速器4.从发射到离开一共加速几次？每次加速获得能量qU，故加速次数：5.粒子在磁场中一共运动多少时间？每次加速后转半圈，故磁场中时间：6.如果要求电场中的时间呢？三.回旋加速器1.交变电流周期：2.离开时的速度：3.离开时的动能：4.一共加速次数：5.磁场运动时间：6.电场运动时间：每换一种粒子都得调整交变电流周期速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关动能与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关加速次数与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关磁场时间与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关电场时间与缝间距、D型盒半径、磁感应强度、电压U有关例2.(多选)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面的匀强磁场中，如图所示．要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是(

)A．增大匀强电场间的加速电压

B．增大磁场的磁感应强度C．减小狭缝间的距离

D．增大D形金属盒的半径BD典型例题例3.(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典型例题例4.(多选)如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是(

)

A．它们的最大速度相同B．它们的最大动能相同C．它们在D形盒中运动的周期相同D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能AC典型例题例5.回旋加速器的工作原理如图甲所示,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乙所示,电压值的大小为U0,周期T=。一束该种粒子在t=0~时间内从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)粒子从飘入狭缝至动能达到Em所需的总时间t0;(3)要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出,d应满足的条件。典型例题例6.如题甲图所示，回旋加速器的圆形匀强磁场区域以O点为圆心，磁感应强度大小为B，加速电压的大小为U、质量为m、电荷量为q的粒子从O附近飘入加速电场，多次加速后粒子经过P点绕O做圆周运动，半径为R，粒子在电场中的加速时间可以忽略。为将粒子引出磁场，在P位置安装一个“静电偏转器”，如题乙图所示，偏转器的两极板M和N厚度均匀，构成