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 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？ 情境与思考 对带电粒子有力的作用 电场 磁场 使带电粒子加速 使带电粒子做 匀速圆周运动 根据 m不同，r不同，从而可以分开 质谱仪 ——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 带电粒子注入器(电离室) 加速电场 ( U ) 速度选择器 ( B1、E ) 偏转磁场 (B2) 照相底片 ②加速电场：带电粒子获得速度为 ③速度选择器：只有满足 ，即 的粒子才能通过速度选择器 ④偏转磁场：带电粒子做匀速圆周运动， 其运动半径为 带电粒子注入器 (电离室) 加速电场 ( U ) 速度选择器 ( B1、E ) 偏转磁场 (B2) 照相底片 质谱仪 ——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 ①电离室： qvB1 = qE qU = mv2 v = r = 使中性气体电离，产生带电粒子 ⑤照相底片：带电粒子的偏转距离为 x = 2r 联立上式可得，粒子的比荷为： ⑥如果带电粒子的电荷量相同，质量不同，就会打在照相底片上的不同位置，出现一 系列的谱线，不同质量对应着不同谱线，叫作质谱线 粒子的质量为： 带电粒子注入器 (电离室) 加速电场 ( U )： 速度选择器： ( B1、E ) 偏转磁场 (B2)： ：照相底片 qU = mv2 v = r = qvB1 = qE ，即 x = 2r 例1. (多选)如图所示是质谱议的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是( ) A. 质谱仪是分析同位素的重要工具 B. 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C. 能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D. 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小 ABC 带电粒子注入器 (电离室) 加速电场 ( U )： 速度选择器： ( B1、E ) 偏转磁场 (B2)： ：照相底片 qU = mv2 v = r = qvB1 = qE ，即 x = 2r 例2. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为+e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求： （1）粒子射出加速器时的速度v为多少？ （2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ （1） （2） （3） 如图所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从 P2飞向P3、从P4飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长很长。 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。 多级加速器 回旋加速器 劳伦斯 第一台回旋加速器 1. 回旋加速器的发明 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 2. 回旋加速器的工作原理 电场对带电粒子： 磁场对运动电荷： 窄缝 加速 两个D形盒 偏转 接高频 电源 狭缝 原理图 B 粒子源 回旋加速器 ①磁场的作用： 粒子做匀速圆周运动，其周期为( )，带电粒子 每次进入D形盒都运动相等的时间( )后平行电场方向进入电场中加速 ②电场的作用： 两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子被加速 ③交变电场的变化周期: 为保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速，则在狭缝两侧加的交变电压与带电粒 子在D形盒中运动周期相同( ) ④带电粒子的轨迹特点: 根据r = ，粒子每加速一次，其轨道半径就大一些；但根据 ，粒子做 圆周运动的周期 ⑤两个D形盒之间的窄缝很小很小，故带电粒子在电场中的加速时间可以 半个周期 不变 忽略不计