资源简介

第一章 安培力和洛伦兹力
1.4 质谱仪和回旋加速器
知识回顾
微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？
洛伦兹力提供向心力
科学探究
在科学研究和工业生产中，常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。
你能如何分离不同比荷的带电粒子？
科学探究
（1）先加速
猜想一：
（2）再偏转（类平抛运动）
由水平
由竖直
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。
U0
L
y
U d
m , q
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：
电场加速
磁场偏转
猜想二：
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
得：
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。
一、质谱仪
让某种中性气体分子在电离室A内被电离成离子，大量的电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U加速后，经S.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。
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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
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
③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场
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.原理：
加速电场U1：
速度选择器E，B：
偏转磁场B0：
原理图
????
?
????
?
????
?
????
?
????????
?
????????
?
????????
?
加速电场
速度选择器
????????
?
在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
比荷:
质量:
m不同，r 就不同
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
例1.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为氕（????????????）、氘（????????????）、氚（????????????），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是（ ）
?
A.进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
B.进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
C.在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚
D.a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚
A
科学探究
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”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器
直线加速器
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？
北京正负电子对撞机
202米
欧洲强子对撞磁场加速器
几公里
U
m , q
B
用磁场控制轨道，用电场进行加速粒子的装置---回旋加速器
二、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对带电粒子进行多级加速。
劳伦斯
第一台回旋加速器
1、结构及作用 ：
二、回旋加速器
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。
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
????3
?
????5
?
????1
?
????0
?
????2
?
????4
?
2、原理 ：
二、回旋加速器
（1）为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？
思考与讨论
由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。
（2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。
你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？
二、回旋加速器
思考与讨论
磁场周期：
电场周期：T电 T磁
=
2.条件：
2.条件：
思考与讨论
（3）在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？
因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过
半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。
（4）回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期?
（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？
需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，
而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。
（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？
思考与讨论
3. 带电粒子的最终能量
半径公式
得
若 D 形盒半径为R，
则带电粒子的最终动能
可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
超导回旋加速器
这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。
美国费米实验室
目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。
例1.（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
例2.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的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（ ）
A．增大匀强电场间的加速电压
B．减小磁场的磁感应强度
C．减小周期性变化的电场的频率
D．增大D形金属盒的半径
D
【课堂小结】
一. 质谱仪
由：
得：
二. 回旋加速器
1.条件：
2.粒子能量：
祝同学们学习愉快

展开更多......

收起↑