質(zhì)譜儀與回旋加速器++高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊(cè)

第一章安培力與洛倫茲力4.質(zhì)譜儀與回旋加速器選擇性必修第二冊(cè)在科學(xué)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(kāi)，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識(shí)，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開(kāi)電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？問(wèn)題分開(kāi)比荷不同的帶電粒子的方案猜想一：先用加速電場(chǎng)加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強(qiáng)電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開(kāi)。原理圖如圖所示：U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)（類平拋運(yùn)動(dòng)）由：

得：

橫向：

縱向：得：

由粒子的軌跡方程可知，粒子的軌跡與粒子的性質(zhì)無(wú)關(guān)，無(wú)法分開(kāi)比荷不同的粒子。猜想二：先用加速電場(chǎng)加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強(qiáng)磁場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開(kāi)。原理圖如圖所示：（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)(勻速圓周運(yùn)動(dòng)）由：得：得：由粒子的軌道半徑表達(dá)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(kāi)比荷不同的粒子。

U0Bm,q

分開(kāi)比荷不同的帶電粒子的方案1、質(zhì)譜儀：利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。2、結(jié)構(gòu)及作用：①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場(chǎng)：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：使具有相同速度的粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)④偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片速度選擇器一、質(zhì)譜儀

加速電場(chǎng)速度選擇器3、原理：4、作用：①可測(cè)粒子的質(zhì)量及比荷②與已知粒子半徑對(duì)比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素加速電場(chǎng)U1：速度選擇器E，B：

偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B0：m不同，r

就不同

一、質(zhì)譜儀練習(xí)與應(yīng)用1、質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為＋e的正電子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后該粒子恰能通過(guò)速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求：（1）粒子射出加速器時(shí)的速度v為多少？（2）速度選擇器的電壓U2為多少？（3）粒子在B2磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？

要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開(kāi)”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)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(kāi)”。產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。

由于粒子在加速過(guò)程中的徑跡為直線，要得到較高動(dòng)能的粒子，其加速裝置要很長(zhǎng)。1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對(duì)帶電粒子進(jìn)行多級(jí)加速。思考如果帶電粒子在一次加速后又轉(zhuǎn)回來(lái)被第二次加速，如此往復(fù)“轉(zhuǎn)圈圈”，加速器裝置所占的空間不是會(huì)大大縮小嗎？1、回旋加速器：利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來(lái)獲得高能粒子的裝置。2、結(jié)構(gòu)及作用：①兩個(gè)大磁極：在帶電粒子運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。②兩個(gè)D形扁平銅盒：使D形盒內(nèi)部有磁場(chǎng)沒(méi)有電場(chǎng)。使帶電粒子的圓周運(yùn)動(dòng)不受電場(chǎng)影響。③D形盒間的窄縫：使帶電粒子在這一區(qū)間被電場(chǎng)加速。④交變電場(chǎng)：交變電場(chǎng)的周期等于粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期。使帶電粒子在D形盒間的窄縫被加速。二、回旋加速器3、原理：帶電粒子在D形盒中運(yùn)行的周期：（1）加速條件每過(guò)電場(chǎng)方向要改變一次，以保證帶電粒子始終被加速。

電場(chǎng)的變化周期要等于粒子的運(yùn)動(dòng)周期：

二、回旋加速器

3、原理：（2）粒子最大動(dòng)能：（離開(kāi)半徑與D形盒半徑相同）

對(duì)某種粒子q、m一定，粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和回旋加速器的半徑R決定，與加速度電壓的大小無(wú)關(guān)。

二、回旋加速器3、原理：（3）回旋加速器不可無(wú)限加速。

粒子速度v接近光速c時(shí)，質(zhì)量變大，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)周期改變，與交變電場(chǎng)周期不同步。改進(jìn)：二、回旋加速器練習(xí)與應(yīng)用2、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開(kāi)加速器時(shí)速度是多大，最大動(dòng)能為多少？(5)設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)的電勢(shì)差為U，求加速到上述能量所需的時(shí)間．(不計(jì)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間)練習(xí)與應(yīng)用2、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？【解析】(1)D形盒由金屬導(dǎo)體制成，具有屏蔽外電場(chǎng)作用，故盒內(nèi)無(wú)電場(chǎng)練習(xí)與應(yīng)用2、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？【解析】(2)帶電粒子在盒內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，每次加速之后，半徑變大．練習(xí)與應(yīng)用2、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？

練習(xí)與應(yīng)用2、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開(kāi)加速器時(shí)速度是多大，最大動(dòng)能為多少？

練習(xí)與應(yīng)用2、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開(kāi)加速器時(shí)速度是多大，最大動(dòng)能為多少？(5)設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)