1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2023-2024学年高二物理同步精品课堂（人教版2019选择性必修第二册）

1.4 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？ Teaching Analysis 教学分析 质谱仪 原理： 利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。利用电场让带电粒子获得一定的速度，利用磁场让粒子做圆周运动。 由 r＝ mv/qB 可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B、v相同，m不同，则r不同，这样就可以把不同的粒子分开。 Teaching Analysis 教学分析 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设 计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同 位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十 分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。 阿斯顿 Francis William Aston Teaching Analysis 教学分析 视频：冻干质谱仪 Teaching Analysis 教学分析 质谱仪 Teaching Analysis 教学分析 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S3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。 质谱仪 Teaching Analysis 教学分析 Teaching Analysis 教学分析 科学探究 在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？ Teaching Analysis 教学分析 多级加速器 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。 缺点： 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。 Teaching Analysis 教学分析 北京正负电子对撞机 欧洲质子加速器 Teaching Analysis 教学分析 视频：最大的粒子加速器 Teaching Analysis 教学分析 回旋加速器 世界上第一台回旋加速器（劳伦斯） Teaching Analysis 教学分析 1.回旋加速器的构造： （1）粒子源 （2）两个D形盒 （3）匀强磁场 （4）交变电场 说明：两D形盒中有匀强磁场无电 场，盒间缝隙有交变电场 三.回旋加速器 Teaching Analysis 教学分析 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 回旋加速器 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的 周期： 周期跟轨道半径和运动速度无关 尽管速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。 这样，如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。 Teaching Analysis 教学分析 回旋加速器 加速电场是周期性变化的，必须由周期性变化的交流电源提供 Teaching Analysis 教学分析 思考： 交变电场的周期多大呢？ 高频电场的变化周期为 每过 电场换一次 方向带电粒子被加速一次 Teaching Analysis 教学分析 1. 变化电场 2.条件： 3. 粒子能量 回旋加速器 Teaching Analysis 教学分析 回旋加速器结构模型 Teaching Analysis 教学分析 1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实验室成为世界物理学家参观学习的基地。 Teaching Analysis 教学分析 视频：回旋加速器 Teaching Analysis 教学分析 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 〜 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。 回旋加速器的局限性 Teaching Analysis 教学分析 一、质谱仪 质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。 二、回旋加速器 回旋加速器的核心部件是:两个D形盒(半圆金属盒） 粒子第一次经加速电场加速后进入磁场，转半周后，再进入D形盒狭缝之间的加速电场此