1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2021-2022学年【新教材】人教版(2019)高中物理选择性必修二

横县百合完全中学：韦衍虎 18276143537 1.4质谱仪与回旋加速器 问题导入 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。 一、质谱仪 1.质谱仪的基本结构 离子源 加速电场U 偏转磁场B 照相底片 2.质谱仪的工作原理 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。 例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？ 课堂练习 3 v1<v2<v3 t1=t2=t3 二、回旋加速器 1.多级直线加速器 加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU = ΔEk。 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。 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。 有的长达几十千米，坐落在两个城市之间、、、、、 2.回旋加速器 ①基本结构 粒子源 接交流电源 金属盒内部的电场为零 ②工作原理 正电 A0 v0 A/2 v1 A1 A/1 A2 v2 粒子就会不断的加速 a、粒子源发出粒子 b、在磁场中做半个周期的匀速圆周运动 c、在电场中加速 思考与讨论：怎么控制电场的变化呢？ 周期 ，与速度无关，故周期始终不变。 同频变化 粒子将会从粒子引出口飞出D形盒，结束加速的过程 当粒子做圆周运动的半径与D形盒半径R相同时 r=R 最大速度 最大动能 U 每次Δv Δr 次数少 t短 U 每次Δv Δr 次数多 t长 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。 例2：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。 课堂练习 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 所以加速次数： 所以加速总时间： 如已知加速电压为U，忽略在电场中运动时间，求加速的次数和加速的总时间。 解：每次加速得到的动能 EK=qU 由于圆周运动的周期： 课堂小结 1.质谱仪 ①在电场中加速 ②在偏转磁场中，洛伦兹力提供向心力 ③在偏转磁场中，偏转的距离为 x=2r ④由上式可得粒子的质量和比荷 2.多级直线加速器 ①加速原理：在电场中加速，qU = ΔEk。 ②缺点：占有的空间范围大 ①当粒子做圆周运动的半径与D形盒半径R相同时： r=R 最大速度 最大动能 加速次数 加速总时间 ②缺点：受相对论影响，无法一直加速 3.回旋加速器 $