高中物理-选择性必修2-第一章-4-质谱仪与回旋加速器

高中物理选择性必修第二册

人教版4质谱仪与回旋加速器1.了解质谱仪的构造及工作原理。2.了解直线多级加速器和回旋加速器的构造及工作原理。3.通过质谱仪和回旋加速器的学习,提高综合运用力学知识和电学知识的能力。1.原理图:如图所示。

2.加速:带电粒子进入质谱仪的加速电场,由动能定理得①

qU

=

mv2。3.偏转:带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力:②

qvB

=

。1|质谱仪4.结论:r=③

。测出粒子的轨迹半径r,可算出粒子的质量m或比荷

。5.应用:可以测定带电粒子的质量和分析④

同位素

。知识拓展由于从容器A下方小孔进入加速电场的带电粒子实际上有一定的初速

度,会使直接进入偏转磁场的带电粒子速度不同,从而带来测量误差。为使进入偏

转磁场的带电粒子速度更唯一,测量更准确,现在的质谱仪在S2与S3之间增加了速

度选择器。在速度选择器中,带电粒子在电场力和洛伦兹力的作用下平衡,做匀速直线运动,有

qE=qvB1,则v=

。1.构造图:如图所示。

2.核心部件:两个金属⑤

D形盒

。3.原理:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期⑥

相同

,粒子每

经过一次加速,其轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期⑦

不变

。4.最大动能:由qvB=

和Ek=

mv2得Ek=

(R为D形盒的半径),即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关,与加速电压无关。2|回旋加速器导师点睛

磁场、电场的作用(1)磁场的作用:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其中周期与速率和半径无关,使带电粒子每次进入D形盒

中都能运动相等时间(半个周期)后,平行于电场方向进入电场中加速。(2)电场的作用:回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化并垂直

于两D形盒正对截面的匀强电场,带电粒子经过该区域时被加速,速度变大。1.质谱仪是一种精密仪器,是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。

(√)2.从粒子打在质谱仪底片上的位置可以测出半圆周轨迹的半径,进而可以算出粒子

的比荷或算出粒子的质量。

(√)3.回旋加速器的加速电压越高,带电粒子获得的最终动能越大。

(

✕)4.回旋加速器的加速条件是:带电粒子在磁场中的运动周期等于加速电压的周

期。

(√)5.随着粒子速度的增加,回旋加速器两盒间缝隙处电势差的正负改变应该越来越

快,以便能使粒子在缝隙处刚好被加速。

(

✕)判断正误，正确的画“√”，错误的画“✕”。1|质谱仪情境

质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在磁

场中能够偏转的原理,质谱仪按物质原子、分子或分子碎片的质量差异将它们进

行分离或检测物质组成。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有

机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态

仪器和动态仪器。问题1.能否根据你所学的电磁学知识简略叙述质谱仪的工作原理?提示:电荷量相同而质量有微小差别的粒子,它们进入磁场后将以不同的半径做圆

周运动,打到底片的不同地方,在底片上形成若干谱线状的细条,称为质谱线,每一条

质谱线对应一定的粒子质量,从质谱线的位置可以知道圆周的半径r,再根据r进行

计算与分析。2.已知偏转磁场中粒子运动的轨道半径r=

(其中U是已知的加速电压),若磁感应强度B确定,测出r,那么我们可以得到什么?提示:粒子的比荷。3.若磁场确定,我们控制进入的粒子具有相同的电荷量,测出r,我们可以得到有关粒

子的什么信息?提示:质量。质谱仪的工作原理质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。现以下图为例说明其结

构和工作原理。

(1)容器A中含有大量电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子,从下方小孔S1

飘出时,这些带电粒子的初速度可认为都为零。

(2)对某个质量为m、电荷量为q的带电粒子进行分析:经过S1和S2之间电势差

为U的电场加速后,由qU=

mv2可求得其从S2射出时的速度为v=

。该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB=

可求得其轨迹半径r=

,将v=

代入可得r=

=

。(3)由r的表达式可知,电荷量相同而质量不同的带电粒子将沿不同轨迹做圆周

运动,经过半个圆周打在照相底片D上的不同位置,质量越大的带电粒子轨迹半径

越大,质量越小的轨迹半径越小。a.如果已知q、U、B2,又测出其半径r,可求得带电粒子的质量m=

,或求得其比荷

=

。b.对质量有微小差别的同位素,因q相同、m不同,也可区别、分离出来。在底片上

形成的若干谱线状的细条,称为质谱线。2|回旋加速器情境

北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能

加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输

运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕

储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所

示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对

撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大

小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周

运动,从而在碰撞区迎面相撞。问题1.直线加速器中如何使粒子获得加速?提示:利用加速电场对带电粒子做正功,使带电粒子的动能增加,即qU=ΔEk。2.直线加速器的弊端是什么?提示:直线加速器占有的空间范围大,在有限的空间内制造直线加速器受到一定的

限制。3.为维持带电粒子在环状空腔中的匀速圆周运动,对于给定的加速电压,带电粒子

的比荷

越大,磁感应强度B应越小还是越大?提示:越小。对于给定的加速电压,带电粒子的速度v=

不变,要保持轨道半径r=

不变,则带电粒子的比荷

越大,B应越小。4.若维持带电粒子在环状空腔中的匀速圆周运动,对于给定的带电粒子,加速电压U

越大,粒子运动的周期越小还是越大?提示:越小。对于给定的带电粒子,加速电压U越大,粒子获得的速度v=

越大,要保持轨道半径r=

不变,B应增大,则T=

会越小。交变电压的周期带电粒子做匀速圆周运动的周期T=

,与速率、轨迹半径均无关,运动相等的时间(半个周期)后进入电场,为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速,须在狭缝

两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压,所以交变电压的周期也

与粒子的速率、轨迹半径无关,由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。带电粒子的最终能量由r=

知,当带电粒子的运动半径最大时,其速度也最大,若D形盒半径为R,则带电粒子的最终动能Ekm=

,与加速电压无关。粒子被加速次数的计算粒子在回旋加速器中被加