高二物理选择性必修二1.4质谱仪与回旋加速器

第一章安培力与洛伦兹力1.4质谱仪与回旋加速器在科学研究和工业生产中，常需要将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？一质谱仪目标：把电荷量相同、质量不同的带电粒子分开。设想：1利用电场让带电粒子获得一定的速度，利用磁场让粒子做圆周运动。2由

可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B、v相同，m不同，则r不同，这样就可以把不同的粒子分开。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S飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S，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。如果容器A中粒子的电荷量相同而质量不同，它们进人匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同地方。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"。产生这些高能"炮弹"的"工厂"就是各种各样的粒子加速器。思考如何让带电粒子达到较大的速度呢？电场加速产生过高的电压在技术上是很困难的二回旋加速器多级加速加速装置太长回旋加速器二

回旋加速器工作原理中空的半圆金属盒两盒之间有交变电场A0处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速粒子在金属盒中做匀速圆周运动经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，使其恰好改变正负，于是粒子经过盒缝时再一次被加速。如此，粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝，而两盒间的电势差一次一次地改变正负，粒子的速度就能够增加到很大。粒子运动的越来越快粒子走过半圆的时间间隔越来越短？两盒间电势差的正负变换越来越快？对一定的带电粒子和一定的磁场来说，这个周期是不变的，尽管粒子的速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。这样，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时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。NONO回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25~30MeV后，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。回旋加速器能使速度无限增大吗？1A、B是两种同位素的原子核，它们具有相同的电荷、不同的质量。为测定它们的质量比，使它们从质谱仪的同一加速电场由静止开始加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入同一匀强磁场，打到照相底片上。如果从底片上获知A、B在磁场中运动轨迹的直径之比是1.08:1，求A、B的质量之比。2回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的直径为d，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子