1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第一章 安培力与洛伦兹力 第4节 质谱仪与回旋加速器 知识回顾 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径和周期怎样计算？ 洛伦兹力提供向心力 问题探究 提示：氕、氘、氚这三种带电粒子的电荷量相同、质量不同，即它们的比荷不同。 方案设计: 可使这三种带电粒子在电场或磁场中运动，若它们在电场 或磁场中的运动轨迹不同，就能将其分开。 带电粒子在加速电场中沿同一条直线运动，自然无法将其分开； 猜想一: 尝试用匀强电场使其分离 问题探究 ①. 用电场加速 若使带电粒子在电场中偏转（类平抛运动）呢？（偏转前需要初速度，即可以尝试使粒子在电场中先加速后偏转，看其运动轨迹是否相同） 猜想一: 尝试用匀强电场使其分离 问题探究 ②. 用电场先加速再偏转 粒子的轨迹与粒子的比荷无关，无法将它们分开 猜想二: 尝试用匀强磁场使其分离 问题探究 磁场只能使运动电荷偏转，故需要对粒子先用电场加速后再进入偏转磁场。 比荷不同的带电粒子的半径不同， 此法可以把比荷不同的粒子分开。 研究中让大量q相同，m不同的带电粒子从电离室A的小孔 s1“飘”加速电场被加速后，再经 s3 孔进入匀强磁场做圆周运动，最后打在照相底片D上。由于其圆周运动的轨道半径不同，打在照相底片D的位置也就不同。科学研究中常用此来分析同位素和测量带电粒子质量。 一、质谱仪 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。 一、质谱仪 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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ④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 一、质谱仪 3. 工作原理: 加速时： 若粒子比荷不同，做圆周运动的半径不同，因此打到的位置就不同。质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具: 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。 偏转时： 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 例1. 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 ，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 ） 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”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。 （思考:使带电粒子加速，用电场还是磁场？） 问题探究 用电压为U的电场加速： v与U有关，而技术上不能产生过高的电压。 用电压直线多级加速： 缺点：装置过长，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。 斯坦福直线加速器 有没有什么办法改进？ 二、回旋加速器 二、回旋加速器 1. 构造: 主要由两半圆金属盒D1、D2 构成，D形盒的缝隙处接交流电源， D形盒处在匀强磁场中。 两D形盒中有匀强磁场没有电场，其作用是使带电粒子回旋（做圆周运动）； 盒间缝隙有电场，其作用是使带电粒子加速。 要使带电粒子每次经过缝隙时都被加速，带电粒子偏转半周时电场方向要改变一次，即带电粒子运动一周时间内电场方向变化两次（一个周期）。 2. 加速条件: 电场的变化周期要等于粒子的运动周期 3. 粒子获得的最大动能: （离开半径与D形盒半径相同） 对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。 二、回旋加速器 按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导致其回旋周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。因此，回旋加速器加速的带电粒子，能量能达到25—30MeV后，很难再加速了。 二、回旋加速器 4. 回旋加速器的局限性 —— 不可无限加速 改进： 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.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同 ④.电场一个周期中方向