1.4 质谱仪和回旋加速器-2021-2022学年高二物理轻松备课课件（人教版2019选择性必修第二册）

思考：太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子。 那么这些粒子都是什么种类的粒子？ 这些粒子地球上都有吗？ 这时我们需要的是将这些粒子分开来？怎么做到呢？ 第4节 质谱仪和回旋加速器 阿斯顿：英国物理学家，长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。 Francis Wi11iam Aston (1877－1945)阿斯顿有一句名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量 第4节 质谱仪和回旋加速器 计算粒子的比荷或质量的仪器. 一 、质谱仪: 阿斯顿：用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在,并由此获诺贝尔化学奖 规律： 第4节 质谱仪和回旋加速器 例1. 一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。求（1）求粒子进入磁场时的速率。 （2）求粒子在磁场中运动的轨道半径。 解:(1) 得： 若粒子未知， 测出半径. 我们就可算出粒子的比荷， (2) 从而就知道是哪种电荷。 例2.(多选)如图是质谱仪的工作原理示意图,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的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为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下方有磁感应强度为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D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P, 粒子的比荷越小 ABC 直线加速器 在粒子物理学中，我们需要对粒子加速，从而去轰击其它粒子，从而撞碎粒子，以此发现粒子的内部结构。 思考：如果我们使用1000V的电压,要将质子加速到8×105eV,需要多少级加速电场? 得：n=800级 解：nqU= 优点：结构简单 缺点：加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困难的. 那么如何使带电粒子做曲线运动呢? 能否让粒子拐个弯，从而在一个有限的空间里一直加速呢? U U + U B B + 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 一 、质谱仪: 第4节 质谱仪和回旋加速器 二、回旋加速器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 二、回旋加速器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 R 最大速度 Vm= 最大动能 EKm= 思考：决定粒子加速后的最大速度或最大能量由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？ 1.结构： 2.规律： 二、回旋加速器 R 二、回旋加速器 注意： ①最终V、EK与加速电压的大小无关 最大速度 Vm= 最大动能 EKm= 1.结构： 2.规律： 思考：那加速电压大小有什么用呢？ R 二、回旋加速器 注意： ①最终V、EK与加速电压的大小无关 最大速度 Vm= 最大动能 EKm= 1.结构： 2.规律： ②加速电压决定时间 思考:交变电压的周期如何确定? R 注意： ①最终V、EK与加速电压的大小无关 ②加速电压决定时间 ③一个周期加速两次，电压周期等于粒子运动的周期 u t + V1 V2 T 思考：带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗? + V1 V2 思考：带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗? 挑战：交变电压太烦人，能不能设计一种电压不需要改变却能反复加速的仪器呢? 例3：如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图。半径为的两个中空D形盒，处于垂直于盒面向里、磁感应强度为的匀强磁场中。两D形盒左端狭缝处放置一场强恒定的加速电场。带电粒子从P0处以速度沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，接着又从处进入、板间，如此反复，最后从D形盒右侧的边缘飞出。对于这种改进后的回旋加速器，带电粒子每运动一周被加 速 次。若被加速的带电粒子的电荷 量为，质量为，则粒子的最大速度的表 达式为 。 1 思考：如果我们要使用1000V的电压,用回旋加速器将质子加速到8×105eV,且所用磁场0.08T.质子的质量约等于1.67×10-27，估算这个回旋加速器的半径有多大(保留两位有效数字)? 解： EKm= 得：R≈1.6m 思考：如果我们使用1000V的电压,要将质子加速到8×105eV,需要多少级加速电场? 得：n=800级 解：nqU