§1.4 质谱仪与回旋加速器（备课件）-【上好课】2021-2022学年高二物理同步备课系列（人教版选择性必修第二册）

§1.4 质 谱 仪 与 回 旋 加 速 器 第一章 安培力与洛伦兹力力 1 　　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？ 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 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 质谱仪 质谱仪 1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 2、基本原理： 　　将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类。 3、推导： 粒子初速度为零 粒子经电场加速 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。 【例1】 一个质量为 1.67×10 -27 kg、电荷量为 1.6×10 -19 C 的带电粒子，以 5×10 5 m/s 的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场。求： （1）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比； （2）粒子在磁场中运动的轨道半径； （3）粒子做匀速圆周运动的周期。 解 ：（1）粒子所受的重力G ＝ mg ＝ 1.67×10 -27 ×9.8 N 　　　　　　　　　　　　　＝ 1.64×10 -26 N 所受的洛伦兹力F ＝ qvB ＝ 1.6×10 -19 ×5×10 5 ×0.2 N 　　　　　　　　　　　＝ 1.6×10 -14 N 重力与洛伦兹力之比G／F＝1.64×10 -26 ／1.6×10 -14 　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝1.03×10 -12 可见，带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力远大于重力，重力作用的影响可以忽略。 例题分析 （2）带电粒子所受的洛伦兹力为　F ＝ qvB 　　洛伦兹力提供向心力，故　　qvB＝mv 2／r 　　由此得到粒子在磁场中运动的轨道半径 　　　　　r＝mv／qB 　　　　　＝1.67×10 -27 ×5×10 5／1.6×10 -19 ×0.2m 　　　　　＝2.61×10 -2 m （3）粒子做匀速圆周运动的周期 　　T＝2πr／v＝2πm ／qB 　　　　　　　＝2×3.14×1.67×10 -27／1.6×10 -19 ×0.2 s 　　　　　　　＝3.28×10 -7 s 例题分析 例题分析   AD 　【例２】   C 小试牛刀 １. 1．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=Ek． 2．直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图： 加速器 (一)、直线加速器 由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为： 3．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． 回旋加速器 1．1932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进行多级加速． 2．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 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源             3、工作原理： ①带电粒子在D形盒中运行的周期： （1）加速条件 ②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 ③电场的变化周期要等于粒子的运动周期： 1.在磁场中做圆周运动,周期不变 2.每一个周期加速两次 3.电场的周期与粒