质谱仪与回旋加速器课件-高二下学期物理人教版选择性()

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第一章

安培力与洛仑磁力

1.4质谱仪与回旋加速器新课导入为了便于存取，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。

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？方案一：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。还有其他方案吗？学习目标1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。2.经历质谱仪工作原理的推导过程，体会逻辑推理的思维方法。3.了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。一、质谱仪思考讨论：如何分开电量相同而质量不同的带电粒子利用电场和磁场（1）先加速由：得：（2）再偏转(匀速圆周运动）得：U0Bm,q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。加速偏转一、质谱仪

19世纪末，弗朗西斯·威廉·阿斯顿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。弗朗西斯·威廉·阿斯顿FrancisWilliamAston一、质谱仪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速度选择器③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场一、质谱仪3．原理：（1）带电粒子通过加速电场的

速度为：＿＿＿＿；（2）带电粒子通过速度选择器的速度为：＿＿＿＿；（3）在偏转磁场中做圆周运动的半径：＿＿＿＿＿；（4）带电粒子的荷质比＿＿＿＿＿＿。质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具qvB1=qE一、质谱仪4.作用：①可测粒子的质量及比荷②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素未知的元素对应了不同种类的原子，我们该如何去研究不同的原子组成成分呢？加速电场U1：偏转磁场B：偏转的距离为x一、质谱仪电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U0加速后，经S3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（叫作质谱线）。例如：氕、氘、氚三种同位素（q相同，m不同）二、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”。如何产生极高能量的粒子？粒子加速器粒子加速还记得必修三中学过的直线加速器吗，他的工作原理是怎样的，它有什么弊端？思考：如何产生极高能量的粒子二、回旋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。二、回旋加速器北京正负电子对撞机202米如何设计一种既能实现多次加速，又可以减少占地空间的加速器呢？欧洲强子对撞磁场加速器

27公里二、回旋加速器如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间就会大大缩小。而磁场正好能使带电粒子“转圈圈”，于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器。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进行多级加速。1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.二、回旋加速器1.回旋加速器的结构及作用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形盒：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。二、回旋加速器接高频电源狭缝原理图粒子源

①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达式？周期？粒子在磁场中运动特点？半径周期周期与粒子的速度无关2.回旋加速器的工作原理磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。二、回旋加速器思考：两个D形盒之间缝隙的电场方向应该如何变换呢？如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。

一个周期，加速两次与粒子速度大小无关二、回旋加速器3.决定粒子射出D形盒时最大速率的因素：当粒子从D形盒边缘引出时，最后半圆应满足：即（vm与B、R有关，而与加速电压U无关）U每次ΔvΔr次数少t短U每次ΔvΔr次数多t长4.带电粒子的最终能量粒子的动能与加速电压无关，与D型盒的半径有关ⅡⅠ二、回旋加速器(n是粒子被加速次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。5.粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为

6.轨道半径带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的，粒子第一次进入D形金属盒Ⅱ，被加速一次，以后每次进入D形盒Ⅱ都被加速两次，粒子第n次进入D形盒Ⅱ时，已经被加速（2n+1）次，带电粒子在D形盒内任意两个相邻的圆形轨道半径之比：二、回旋加速器

这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场于运动不在同步，也就没办法加速了。二、回旋加速器1.交变电流周期：2.粒子时的速度：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有关回旋加速器的几个常用结论

D2.(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AC3.我国建造的第一台回旋加速器工作原理如图所示，回旋加速器的两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，电压大小为U，忽略粒子在电场中的运动时间。下列说法正确的是

（）

A.电荷量为q的