质谱仪与回旋加速器课件-高二下学期物理人教版选择性

1.4质谱仪与回旋加速器人教版高中物理选择性必修二

第一章

安培力与洛伦兹力情境引入1910年，阿斯顿来到卡文迪许实验室，当了汤姆生的一名助手，汤姆生的正射线研究已经进行了好几年，实验的基本方法是用磁场和电场使正射线偏转，在屏上或照片上显示出抛物线轨迹，从而粗略地计算其荷质比与速度。一次阿斯顿用氖气在改进的仪器上做实验。他发现图所示最下方的氖气曲线有一根分支。按照原本的预想，粒子流将在底片上留下不同的曲线，可是氛原子的那条曲线旁边却有一条额外的光带，这表明氖元素中也许还存在一种和它拥有相同化学组成、质量却稍有不同的物质。这一结果大大激起了阿斯顿的研究兴趣，余生他几乎全投人了对这种神奇物质的研究——后来我们知道，那种物质叫作同位素。问题：如何利用带电粒子在电场和磁场中的运动性质将同位素分离出来？任务一

认识质谱仪问题1：能否利用下面方案在电场中分离同位素？任务一

认识质谱仪加速电场偏转磁场照相底片电离室速度选择器问题2：下面方案中，击中底片左侧的粒子的质量大还是击中右侧的质量大？【例1】[质谱仪原理的理解]（多选）如图所示是质谱仪的工作原理示意图．带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场．下列表述正确的是(

)A．质谱仪是分析同位素的重要工具B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小任务二

认识回旋加速器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。

在研究电场时，我们知道可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量，即,电压越高粒子增加的能量越大。但有一个技术问题就是如何产生高压？

为了解决这一技术难题，我们想到了“多级加速”，也就是直线加速器。问题4直线加速器有什么弊端？如何改进？北京正负电子对撞机202米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？欧洲强子对撞磁场加速器

27公里1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖．1.结构：①

两个D形盒及两个大磁极②

D形盒间的窄缝

③

高频交流电接高频电源狭缝粒子源

（1）加速电场的周期和频率？（2）第n次加速后的速度及轨道半径？（3）最终的能量及加速的次数？（4）加速的总时间？回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25〜30MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。我国第一台回旋加速器是由中国原子能科学研究院研制成功的。‌这台回旋加速器于1996年5月9日通过了国家计委的验收，标志着我国的回旋加速器研制技术达到了90年代国际先进水平。【例3】[回旋加速器原理的理解]（多选）劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示．置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响．则下列说法正确的是(

)A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRfB．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比