1.4质谱仪和回旋加速器-2022-2023学年高二物理同步课件（人教版2019选择性必修第二册）

第一章 安培力和洛伦兹力 1.4 质谱仪和回旋加速器 亮亮图文旗舰店https://liangliangtuwen.tmall.com 1 知识回顾 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？ 洛伦兹力提供向心力 科学探究 在科学研究和工业生产中，常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。 你能如何分离不同比荷的带电粒子？ 科学探究 （1）先加速 猜想一： （2）再偏转（类平抛运动） 由水平 由竖直 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。 U0 L y U d m , q 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： 电场加速 磁场偏转 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： 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。 一、质谱仪 让某种中性气体分子在电离室A内被电离成离子，大量的电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U加速后，经S.孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线。 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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 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：以相同速度进入偏转磁场 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 3.原理： 加速电场U1： 速度选择器E，B： 偏转磁场B0： 原理图 加速电场 速度选择器 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r 比荷: 质量: m不同，r 就不同 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.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（）、氘（）、氚（），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 科学探究 要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？ 产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器 直线加速器 能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？ 北京正负电子对撞机 202米 欧洲强子对撞磁场加速器 几公里 11 U m , q B 用磁场控制轨道，用电场进行加速粒子的装置---回旋加速器 12 二、回旋加速器 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对带电粒子进行多级加速。 劳伦斯 第一台回旋加速器 1、结构及作用 ： 二、回旋加速器 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形盒：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。 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 2、原理 ： 二、回旋加速器 （1）为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？ 思考与讨论 由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。 （2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。 你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？ 二、回旋加速器 思考与讨论 磁场周期： 电场周期：