1.4质谱仪与回旋加速器-2021-2022学年高二物理备课优选课件（人教版2019选择性必修第二册）

1.4 质谱仪与回旋加速器 复习： 带电粒子做圆周运动的轨道半径和周期。 1.构造：由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。 一、质谱仪 (1)电场中加速： 由动能定理得： 由此可得： 2.原理： (2)磁场中偏振： 向心力为受的洛伦兹力提供，即 所以粒子的轨道半径为 3.应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 思考如何获得高速粒子？ 思考１：如何解决技术上不能产生过高的电压的难题？ 思考２：如何解决加速设备很长这一难题？ 分析：利用电场对带电粒子进行加速，加速电压越高，粒子获得的能量就越大。 5 二、回旋加速器 1.构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 思考３：每次加速后，带电粒子进入磁场的半径如何变化？周期呢？ 思考４：带点电粒子离开磁场时的最大动能与哪些因素有关？ 结论：增强B和增大R可以提高加速粒子的最大动能，粒子的最大动能与加速电压无关。 + - v0 + - v1 v3 v4 v m 半径变大，但周期不变。 2.原理： 3.结论： （1）周期：交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相等，周期T＝2πm/qB，与粒子 速度大小无关。 （2）粒子的最大动能： ，再由 得： ，最大动能决定于D型盒的半径r和磁感应强度B. 8 中国粒子加速器发展历程 1958年 中国第一台回旋加速器建成 1988年 北京正负电子对撞机实现正负电子对撞 2005年 北京新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程正式开始，性能是美国同一类装置的3～7倍。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 1．质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点。设P到S1的距离为x，则（　　） A．只要x相同，对应的离子质量一定相同 B．只要x相同，对应的离子电荷量一定相同 C．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大 D．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小 C 2．如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的A点飘出（在A点初速度为零），经电压U加速后，从x轴坐标原点处进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（　　） A．b进入磁场的速度一定大于a进入磁场的速度 B．a的比荷一定小于的b比荷 C．若a、b电荷量相等，则它们的质量之比 D．若a、b质量相等，则在磁场中运动时间之比 C 3．质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的2倍，电荷量与质子相同）、氚（质量约为质子的3倍，电荷量与质子相同），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是（　　） A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚 D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚 A 4．质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组成，虚线AD上方区域存在垂直纸面向外的匀强磁场。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（　　） A．两个离子均为负离子 B．a离子质量比b离子质量小 C．a、b离子在磁场中的运动时间相等 D．若增大加速电场的电压U，则两离子在偏转磁场中运动的半径都变大 BD 5．如图所示，为回旋加速器的原理图.其中D1和D2是两个中空的半径为R的半圆形金属盒，接在电压为U的加速电源上，位于D2圆心处的粒子源A能不断释放出一种带电粒子（初速度可以忽略，重力不计），粒子在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。已知粒子电荷量为q、质量为m，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化，下列说法正确的是（　　） A．加速电源可以用直流电源，也可以用任意频率的交流电源 B．加速电源只能用周期为 的交流电源 C．粒子第一次进入D1盒与第一次进入盒D2的半径之比为1:2