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高中物理人教版（2019）选择性必修二
第一章第4节 质谱仪与回旋加速器
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：带电粒子垂直进入偏转电场
方案二：带电粒子垂直进入偏转磁场
粒子做类平抛运动
粒子做圆周运动
分开比荷不同的带电粒子的方案
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：
U0
L
y
U d
m , q
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
由：
得：
纵向：
横向：
得：
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。
分开比荷不同的带电粒子的方案
方案二：
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：
（1）先加速
（2）再偏转(匀速圆周运动）
由：
得：
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。
U0
B
m , q
质谱仪
阿斯顿
Francis William Aston
阿斯顿设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在
要认识原子内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”
“炮弹”就是极高能量的粒子
产生这些高能“炮弹”的工厂
就是粒子加速器
为什么要设计粒子加速器？
直线加速器
在粒子物理学中，我们需要对粒子加速，从而去轰击其它粒子，从而撞碎粒子，以此发现粒子的内部结构。
思考：如果我们使用1000V的电压,要将质子加速到8×105eV,需要多少级加速电场?
思考：如果我们使用1000V的电压,要将质子加速到8×105eV,需要多少级加速电场?
得：n=800级
解：nqU=?????????????????????????
?
优点：结构简单
缺点：加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困难的.
欧洲质子加速器
斯坦福大学的加速器
缺点：加速器管长3050米占地大
能否设计一款占地小些
的加速器
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不是会大大缩小吗？而磁场正好能使带电粒“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,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，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．
回旋加速器
1、结构： ① 两个D形盒及两个大磁极 ② D形盒间的窄缝 ③ 高频交流电
二、回旋加速器
思考：
(1)磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？(2)电场的作用是什么？(3)为了保证粒子每次经过电场都被加速，对交变电压的周期有什么要求？
回旋加速器
原理：
带电粒子在D形盒中运行的周期：
（1）加速条件
每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。
电场的变化周期要等于粒子的运动周期：
回旋加速器
原理：
（2）粒子最大动能：
（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。
例1：如果我们要使用1000V的电压,用回旋加速器将质子加速到8×105eV,且所用磁场0.08T.质子的质量约等于1.67×10-27，估算这个回旋加速器的半径有多大(保留两位有效数字)?
解： EKm=
得：R≈1.6m
思考：如果我们使用1000V的电压,要将质子加速到8×105eV,需要多少级加速电场?
得：n=800级
解：nqU=?????????????????????????
?
美国费米实验室加速器

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