1.4 质谱仪与回旋加速器(课件)-【点石成金系列】2021-2022学年高中物理课件（人教版2019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 人教版（2019）高中物理选择性必修第一册 主讲人：点石成金 CONTENTS 01 质 谱 仪 02 03 目录 随 堂 训 练 回旋加速器 2 　　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 01 质 谱 仪 安培力与洛伦兹力 6 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 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 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。 例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 例2、如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb= vc＜vd，质量关系为ma= mb＜mc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和A2两点。则射到P1板的是____粒子，射到P2板的是___粒子，打在A1点的是____粒子，打在A2点的是____粒子。 a d c b 例3.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； （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） 典例解析 思路导引： （1）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。 离子在磁场中做匀速圆周运动： 电场加速过程的功能关系： （2）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。 典例解析 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 即： 则有： 故： 即： 典例解析 02 回旋加速器 安培力与洛伦兹力 14 1．加速原理：利用加速电