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§1.4 质谱仪与回旋加速器
物理 选择性必修 第二册
第一章 安培力与洛伦兹力
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？
y＝????????????????????????????? , 同加速, 同偏转, 同轨迹
?
课堂探究一: 质量为m、电荷量为q的粒子, 从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场, 其初速度几乎为 0 , 然后垂直于磁场边界经过 S3 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。求打到照相底片 D上的位置与入射点之间的距离？氕氘氚打的位置相同吗？哪个打的远些？
d=2r＝????????????????????????
?
教材 第22页
5．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，????为粒子加速器，加速电压为????????；????为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为????????，两板间距离为d；????为偏转分离器，磁感应强度为????????。今有一质量为????、电荷量为????的正粒子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：
(1). 粒子的速度????为多少？
(2). 速度选择器两板间电压????????为多少？
(3). 粒子在????????磁场中做匀速圆周运动的半径????为多大？
?
(1). ????????????????????； (2). ????????????????????????????????；
(3). ????????????????????????????????
?
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, 是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具。
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：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场
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
一、质谱仪
思考：在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
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
斯坦福大学的加速器
但是粒子的运动越来越快, 也许粒子走过半圆的时间间隔越来越短, 这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快, 从而造成技术上的一个难题。实际情况是这样吗？
怎样才能一直加速？
所加交流电源的频率有什么要求？
假如粒子每两次经过盒缝的时间间隔相同(指粒子经过半圆轨道所用的时间。盒缝宽度远小于盒半径(图1.4-3夸大了缝的宽度), 粒子通过盒缝的时间可以忽略), 控制两盒间电势差的正负变换是比较容易的。
课堂探究二:回旋加速器两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接, 交变电压的值为U, 两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中, 磁场方向垂直于盒底面, 粒子源置于盒的圆心附近。若粒子源射出的粒子电荷量为+q , 质量为m , D形盒半径为R , 求：
(1). 所加交流电源的频率；
(3). 若不考虑粒子在狭缝中的运动时间,
求粒子在回旋加速器中运动的总时间。
(4). 若考虑粒子在狭缝中的运动时间 ,
且两盒间狭缝的间距为d ,
求粒子在回旋加速器中运动的总时间。
t回＝????????????????????????
?
t加＝????????????????
?
(2). 粒子加速后获得的最大速度。
二、回旋加速器
1. 回旋加速器：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的装置。
2. 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形扁平铜盒：使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。
3. 加速条件
T交 = T回
4. 粒子最大速度：
5. 加速时间
1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实验室成为世界物理学家参观学习的基地。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．
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。
课堂小结: 质谱仪与回旋加速器
一、质谱仪
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：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场
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
二、回旋加速器
1. 加速条件:
T交 = T回
2. 粒子最大速度：
3. 加速时间:
1．A、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。
1.17：1
教材 第20页
????2????2????22????
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2．回旋加速器D形盒的半径为r，匀强磁场的磁感应强度为B。一个质量为m、电荷量为q的粒子在加速器的中央从速度为0开始加速。根据回旋加速器的这些数据，估算该粒子离开回旋加速器时获得的动能。
4．回旋加速器两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近。若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R，求：
(1)粒子在盒内做何种运动；
(2)所加交流电源的频率；
(3)粒子加速后获得的最大动能。
(1)匀速圆周运动；(2)????=????????????????????；(3)????????????????????=????????????????????????????????
?
教材 第20页

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