资源简介

(共31张PPT)
第四节
质谱仪与回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
学习目标
1
新课讲解
3
新课导入
2
经典例题
4
课堂练习
5
本课小结
6
目录
学习目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
2.经历质谱仪工作原理的推导过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
新课导入
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？
质谱仪是用来分离同位素、检测它们的相对原子质量和相对丰度的仪器。
我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力。
方案：
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。
新课讲解
一、质谱仪
1.质谱仪：是一种测定带电粒子的质量及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
3.原理：
①在电场中加速
②在偏转磁场中，洛伦兹力提供向心力
联立两个式子得：
③在偏转磁场中，偏转的距离为x
x
x=2r
④由上式可得粒子的质量和比荷
⑤由上式可知同位素电荷量相同，但质量有微小差别。那x就会不同，也就是说在照相底片上会打到不同的位置，从而在底片上出现一系列的分立的亮线，这就称为质谱线或谱线。
二、回旋加速器
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。
1950年代美国布鲁克海文国家实验室的回旋加速器
第一台回旋加速器
回旋加速器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．
在图 1.4-2 所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从 P2 飞向 P3、从 P4 飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
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
直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器为建设科技强国加速
人们进一步思考: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。
回旋加速器的工作原理
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，这些过程在回旋加速器的核心部件 —— 两个 D 形盒和其间的窄缝内完成。
（1）磁场的作用
带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、半径均无关（ ），带电粒子每次进入 D 形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。
（2）电场的作用
回旋加速器两个 D 形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两 D 形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。
回旋加速器的工作原理
（3）交变电场的作用及变化周期
为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，需在窄缝两侧加上跟带电粒子在 D 形盒中运动周期相同（ ）的交变电压。
（4）带电粒子的轨迹特点
粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。
（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。
带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
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。
这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场于运动不在同步，也就没办法加速了。
三、速度选择器
磁流体发电机
原理：qvB=q
I=
电磁流量计
原理：qvB=q
Q=sv=
霍尔元件
原理：qvB=q
I=ndlve
UH=
1、是否直线运动，
只看速度
qvB=qE
2、有确定的入口和出口
3、曲线运动
经典例题
例题1同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场便捷、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：
（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？
（2）这些速度的大小关系为？
（3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3
点所用时间的大小关系是？
3
v1t1=t2=t3
解析：带电粒子在加速电场中运动时，有qU= ，在磁场中偏转时，其半径r= ，由以上两式整理得r= 。由于质子与一价正离子的电荷量相同， B1∶B2 =1∶12，当半径相等时，解得 =144。
例题2 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（　　）
A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
D
例题3回加速器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。
解：当带电粒子离开回旋加速器时其速度达到最大，其运动半径也最大，由
当堂检测
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
本课小结
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