课件 1.4.1 质谱仪与回旋加速器-高中物理选择性必修2（新教材同步课件）

质谱仪与回旋加速器 讲师：石云 物 理 选择性必修 第二册 情境导入 知识海洋 1. 质谱仪 质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 质谱仪 知识海洋 2. 质谱仪的构造 质谱仪主要由以下几部分组成： ① 带电粒子注入器 ② 加速电场 ( U ) ③ 速度选择器 ( B1、E ) ④ 偏转磁场 ( B2) ⑤ 照相底片 质谱仪 知识海洋 3. 质谱仪的工作原理 （1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即 （2）在速度选择器中，只有满足 qvB1 = qE，即 粒子才能通过 速度选择器。 （3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： 质谱仪 知识海洋 （4）在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r （5）联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为 （6）由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。 ， 3. 质谱仪的工作原理 质谱仪 应用探究 例.（多选）如图所示是质谱议的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。 下列表述正确的是（ ） A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P ，粒子的荷质比越小 ABC qE＝qvB 应用探究 例. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(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半径为R的匀速圆周运动。求： （1）粒子射出加速器时的速度v为多少？ 解析：（1）在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有 ，得 应用探究 例. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(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半径为R的匀速圆周运动。求： （2）速度选择器的电压U2为多少？ 解析：（2）在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等，即 ，代入v值得 应用探究 例. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(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半径为R的匀速圆周运动。求： （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 解析：（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径 ，代入v值得 知识海洋 1. 回旋加速器的发明 1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。 回旋加速器 劳伦斯 第一台回旋加速器 知识海洋 2. 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。 回旋加速器 知识海洋 （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。 2. 回旋加速器的工作原理 回旋加速器 学科网原创 知识海洋 （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