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(共18张PPT)
第一章 安培力与洛伦兹力
第4节 质谱仪与回旋加速器
知识回顾
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径和周期怎样计算？
洛伦兹力提供向心力
问题探究
提示：氕、氘、氚这三种带电粒子的电荷量相同、质量不同，即它们的比荷不同。
方案设计: 可使这三种带电粒子在电场或磁场中运动，若它们在电场
或磁场中的运动轨迹不同，就能将其分开。
带电粒子在加速电场中沿同一条直线运动，自然无法将其分开；
猜想一: 尝试用匀强电场使其分离
问题探究
①. 用电场加速
若使带电粒子在电场中偏转（类平抛运动）呢？（偏转前需要初速度，即可以尝试使粒子在电场中先加速后偏转，看其运动轨迹是否相同）
猜想一: 尝试用匀强电场使其分离
问题探究
②. 用电场先加速再偏转
粒子的轨迹与粒子的比荷无关，无法将它们分开
猜想二: 尝试用匀强磁场使其分离
问题探究
磁场只能使运动电荷偏转，故需要对粒子先用电场加速后再进入偏转磁场。
比荷不同的带电粒子的半径不同，
此法可以把比荷不同的粒子分开。
研究中让大量q相同，m不同的带电粒子从电离室A的小孔 s1“飘”加速电场被加速后，再经 s3 孔进入匀强磁场做圆周运动，最后打在照相底片D上。由于其圆周运动的轨道半径不同，打在照相底片D的位置也就不同。科学研究中常用此来分析同位素和测量带电粒子质量。
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。
一、质谱仪
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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④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
一、质谱仪
3. 工作原理:
加速时：
若粒子比荷不同，做圆周运动的半径不同，因此打到的位置就不同。质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具: 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。
偏转时：
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
例1. 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 ，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 ）
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:使带电粒子加速，用电场还是磁场？）
问题探究
用电压为U的电场加速：
v与U有关，而技术上不能产生过高的电压。
用电压直线多级加速：
缺点：装置过长，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
斯坦福直线加速器
有没有什么办法改进？
二、回旋加速器
二、回旋加速器
1. 构造: 主要由两半圆金属盒D1、D2 构成，D形盒的缝隙处接交流电源，
D形盒处在匀强磁场中。
两D形盒中有匀强磁场没有电场，其作用是使带电粒子回旋（做圆周运动）；
盒间缝隙有电场，其作用是使带电粒子加速。
要使带电粒子每次经过缝隙时都被加速，带电粒子偏转半周时电场方向要改变一次，即带电粒子运动一周时间内电场方向变化两次（一个周期）。
2. 加速条件: 电场的变化周期要等于粒子的运动周期
3. 粒子获得的最大动能: （离开半径与D形盒半径相同）
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
二、回旋加速器
按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导致其回旋周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。因此，回旋加速器加速的带电粒子，能量能达到25—30MeV后，很难再加速了。
二、回旋加速器
4. 回旋加速器的局限性 —— 不可无限加速
改进：
①.在磁场中做圆周运动，周期不变
②.每一个周期加速两次
③.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
④.电场一个周期中方向变化两次
⑤.粒子加速的最大速度由盒的半径决定
⑥.电场加速过程中,时间极短,可忽略
二、回旋加速器
5. 回旋加速器的特点
例2. 如图为回旋加速器示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知D形盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q，已知质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（　BC　）
A．粒子由加速器的边缘进入加速器
B．质子的最大速度不超过2πRf
C．质子的最大动能与U无关
D．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
课堂小结

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