1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器課件高二下學期物理人教版選擇性3

1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章安培力與洛倫茲力知識回顧：帶電粒子勻強磁場中做圓周運動的軌道半徑和周期與什么因素有關(guān)？

為了便于存取，超市不同種類的豆子是分開存放

太陽每天都會向我們地球發(fā)射大量的帶電粒子為了了解這些粒子都是什么種類的粒子，我們也需要將這些粒子分開來研究。新課引入新課引入

在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學的知識，你能設計一個方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？思考與討論：猜想一：先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開。U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)（類平拋運動）由：得：縱向：橫向：得：由粒子的軌跡方程可知，粒子的軌跡與粒子的性質(zhì)無關(guān)，無法分開比荷不同的粒子。猜想二：先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強磁場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開。（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)(勻速圓周運動）由：得：得：由粒子的軌道半徑表達式可知，比荷不同的帶電粒子的半徑不同，這種方法可以分開比荷不同的粒子。U0Bm,q質(zhì)譜儀PARTONE質(zhì)譜儀

讓某種中性氣體分子在電離室A內(nèi)被電離成離子，大量的電荷量相同，質(zhì)量不同的同位素，經(jīng)同一電場U加速后，經(jīng)S孔進入勻強磁場，由于其圓周運動的軌道半徑不同，就會打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線。質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)及作用加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片電離室①加速電場：使帶電粒子獲得速度②偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離③照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑④電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子(1)先在電場中加速：由動能定理得：由此可得：(2)后在磁場中偏轉(zhuǎn)：向心力為受的洛倫茲力提供，即所以粒子的軌道半徑為質(zhì)譜儀的原理粒子比荷不同，軌道半徑也不同，即可區(qū)分開來。質(zhì)譜儀的作用通過質(zhì)譜儀，可以將未知粒子與已知粒子半徑對比發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素；此外，還可以通過質(zhì)譜儀計算粒子的質(zhì)量，其原理是，可以根據(jù)入射孔和底片計算出帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)半徑r,則有：電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片若粒子初速度不為零，上述結(jié)論是否還成立，如何克服這一問題帶來的困難？質(zhì)譜儀的改進原理圖

加速電場速度選擇器電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片速度選擇器速度選擇器E，B：偏轉(zhuǎn)磁場B0：觀察改進后質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)，這樣的設計有什么優(yōu)點？例1．質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量或分析同位素的重要設備，它的構(gòu)造原理如圖所示。離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束（速度可視為零），經(jīng)MN間的加速電壓U加速后從小孔S1垂直于磁感線進入勻強磁場，運轉(zhuǎn)半周后到達照相底片上的P點。設P到S1的距離為x，則（）A．只要x相同，對應的離子質(zhì)量一定相同B．只要x相同，對應的離子電荷量一定相同C．若離子束是同位素，則x越大對應的離子質(zhì)量越大D．若離子束是同位素，則x越大對應的離子質(zhì)量越小C要認識原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。如何產(chǎn)生極高能量的粒子？粒子加速粒子加速器可以通過什么樣的方法使粒子加速？問題思考：

1.單級加速器·＋－Umq粒子獲得的能量：Ek=Uq缺點:受實際能達到的電壓限制,所獲能量并不太高

直線加速器設電子進入第n個圓筒后的速度為v，根據(jù)動能定理有：得第n個圓筒的長度為缺點:多級直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。2.多級直線加速器能不能設計一種能實現(xiàn)多次加速，又減少占地空間的加速器呢？北京正負電子對撞機202米歐洲強子對撞磁場加速器

幾公里回旋加速器PARTTWO1932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進行多級加速?；匦铀倨?932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室.①兩個大磁極：在帶電粒子運動范圍內(nèi)產(chǎn)生很強的勻強磁場，使帶電粒子做勻速圓周運動。②兩個D形扁平銅盒：使D形盒內(nèi)部有磁場沒有電場。使帶電粒子的圓周運動不受電場影響。③D形盒間的窄縫：使帶電粒子在這一區(qū)間被電場加速。④交變電場：交變電場的周期等于粒子做勻速圓周運動的周期。使帶電粒子在D形盒間的窄縫被加速。回旋加速器的結(jié)構(gòu)及作用接高頻電源狹縫原理圖粒子源

（1）為了保證帶電粒子每次到達D形盒縫隙間都能被加速，那D形盒縫隙的電場方向應該是恒定的還是變化的呢？思考與討論

由于粒子在D型盒內(nèi)每回旋半圈，進入盒縫間就需要加速一次，因此類似于多級直線加速器，電場方向應該是變化的。回旋加速器的原理（2）如果這個變化電場的周期是恒定的，我們就容易控制和實現(xiàn)。如果不是恒定的，是不是控制和實現(xiàn)起來會有一定的技術(shù)困難。你認為這個電場變化的周期是恒定的嗎？你分析的依據(jù)是什么呢？思考與討論磁場周期：電場周期：T電

T磁=條件：思考與討論

（3）在我們討論帶電粒子的回旋時間時，忽略了粒子在縫間的加速時間，為什么可以做這種忽略呢？因為兩個D形盒的縫寬遠小于盒的半徑，粒子在D形盒中經(jīng)過半周的回旋時間遠遠大于加速時間，因此可以忽略縫間加速時間。

（4）回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子，是否需要調(diào)整變化電場的周期?需要，因為帶電粒子的回旋周期跟比荷有關(guān)，而電場的變化周期應該等于帶電粒子的回旋周期。（5）某種帶電粒子在回旋加速器中被不停的持續(xù)加速后，帶電粒子的能量能無限增大嗎？這個最大能量跟加速電壓有關(guān)嗎？思考與討論帶電粒子的最終能量半徑公式得若D

形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動能可見，帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)，只與磁感應強度

B

和D

形盒半徑

R

有關(guān)。當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由我國最近自主研發(fā)成功的超導回旋加速器?；匦铀倨鞯膽昧Ｗ拥哪芰繒S著回旋加速器D形盒半徑的增大而無限增大嗎？帶電粒子加速后速度增大,周期需要改變，這將帶來什么技術(shù)難關(guān)，你覺得如何改進？改進：回旋加速器的改進例2.回旋加速器的工作原理如圖1所示，置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間狹縫的間距為d，磁感應強度為B的勻強磁場與盒面垂直，被加速粒子的質(zhì)量為m、電荷量為＋q，加在狹縫間的交變電壓如圖2所示，電壓值的大小為U0，周期T＝。一束該種粒子在t＝0時刻從A處均勻地飄入狹縫，其初速度視為零。現(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運動時間，假設能夠出射的粒子每次經(jīng)過狹縫均做加速運動，不考慮粒子間的相互作用。求：(1)出射粒子的動能Em；(1)粒子的速度增大軌道半徑增大，當粒子的軌道半徑等于D形金屬盒半徑為R時，粒子的動能最大，根據(jù)此時洛倫茲力提供向心力即可求得最大速度。

離子在磁場中做勻速圓周運動：又：(2)粒子在回旋加速器中運動的總時間。思路導引：（2）粒子運動存在于兩個空間，一是狹縫間電場力使之做勻加速運動，二是D形金屬盒中洛倫茲力使之做勻速圓周運動。粒子在狹縫間的運動可等效成連續(xù)的勻加速直線運動，根據(jù)最大動能可求得加速的時間；根據(jù)最大動能可求得加速的次數(shù)，從而求得粒子做完整圓周運動的次數(shù)，進而求得