1.4质谱仪与回旋加速器-2021-2022学年高二物理精品课件（2019人教版选择性必修第二册）

第一章 安培力与洛伦兹力 1.4质谱仪与回旋加速器 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？ 情景引入 分开比荷不同的带电粒子的方案 猜想一： 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。 分开比荷不同的带电粒子的方案 猜想二： 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： （1）先加速 （2）再偏转(匀速圆周运动） 由： 得： 得： 由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。 U0 B m , q 一、质谱仪 1、质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。 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粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场 ④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ⑤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 速度选择器 一、质谱仪 原理图 加速电场 速度选择器 3、原理： 4、作用： ①可测粒子的质量及比荷 ②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素 加速电场U1： 速度选择器E，B： 偏转磁场B0： m不同，r 就不同 【例题1】对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示，质量为m、电荷量为q的铀235离子，从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做半径为R的匀速圆周运动。不考虑 离子重力及离子间的相互作用． （1）求加速电场的电压U； 思路导引： 根据铀235离子在磁场中做匀速圆周运动时洛伦兹力提供向心力，列出动力学方程；再根据动能定理，列出电场加速过程的功能关系，即可求解。 完全解答： 离子在磁场中做匀速圆周运动： 电场加速过程的功能关系： 典例解析 （2）实际上加速电压的大小会在U±△U范围内微小变化．若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠， 应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字） 思路导引： 思路导引： 根据向心力公式求出半径R的表达式，进而表示出铀235离子在磁场中最大半径和铀238离子在磁场中的最小半径，要使两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，则铀235离子在磁场中最大半径小于铀238离子在磁场中的最小半径，进而求解。 完全解答： 典例解析 思路导引： 设m′为铀238离子的质量，由于电压在U±△U范围内微小变化，铀235离子在磁场中最大半径为： 铀238离子在磁场中最小半径为： 这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠的条件为：Rmax＜Rmin 典例解析 思路导引： 即： 则有： 其中铀235离子质量m=235u（u为原子质量单位），其中铀238离子质量m′=238u 故： 典例解析 二、回旋加速器 1、回旋加速器：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的装置。 2、结构及作用 ： ①两个大磁极 ：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。 ②两个D形扁平铜盒：使D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒子的圆周运动不受电场影响。 ③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。 ④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。 二、回旋加速器 3、原理： 带电粒子在D形盒中运行的周期： （1）加速条件 每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 电场的变化周期要等于粒子的运动周期： 二、回旋加速器 3、原理： （2）粒子最大动能： （离开半径与D形盒半径相同） 对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。 二、回旋加速器 3、原理： （3）回旋加速器不可无限加速。 粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与