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

授课人：颜鑫蔚 质谱仪与回旋加速器 第一章第四节 同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。 氢的同位素： 同学们知道同位素是什么吗，在化学和生物上也接触过 氕是最常见的氢的同位素，占氢元素的90%以上，而氘氚自然界含量较少，可以用作核聚变的原料 原子核中质子数都为1，但中子数不同，因此三者质量不同 2 思考： 能否设计一个方案，将一束混合有氕、氘、氚三者的离子（电荷量相同、质量不同）分离开来？ 同学们可以结合之前所学的电场力和洛伦兹力想一想 思路：先加速，后偏转，如果偏转不同就可以将它们分开了 3 U1 + - - - - - - - - - - + + + + + + + + + U2 + y 方案一：只使用电场对带电粒子的加速和偏转 思考： 能否设计一个方案，将一束混合有氕、氘、氚三者的离子（电荷量相同、质量不同）分离开来？ L 板间距为d m q y与m和q都没有关系，说明所有粒子偏转情况都是相同的，因此无法将不同种类粒子分离 首先我们想一下，如果只用电场能不能将它们分离开来 我们必修三学过带电粒子在电场中的运动，用U1对粒子加速，U2对粒子偏转，在偏转电场中，粒子做平抛运动，如果三者的偏移距离y不同，我们是不是就可以将他们分离开来。请同学们推导一下这种方法行不行 4 思考： 能否设计一个方案，将一束混合有氕、氘、氚三者的离子（电荷量相同、质量不同）分离开来？ 方案二：使用电场加速，使用磁场偏转 既然用电场偏转行不通，那么我们考虑一下磁场偏转可以吗 5 思考： 能否设计一个方案，将一束混合有氕、氘、氚三者的离子（电荷量相同、质量不同）分离开来？ 方案二：使用电场加速，使用磁场偏转 原理图 加速电场 + 回转半径 不同粒子打在照相底片的位置不同，根据位置就可以判断粒子的种类。 底片 m q 电荷经加速电场加速，然后射入磁场中，如果不同粒子偏转的半径大小不同是不是就可以把它们分离开来了，那么下面就请同学们算一下它们偏转的半径（粒子初速度为0） 学生推导r 能否标出氕氘氚的轨迹 一、质谱仪 1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，精确测定带电粒子的比荷、分析同位素、测定已知电荷粒子的质量。 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 下面我们就来简单介绍一下质谱仪 P18页红色字体，介绍质谱仪工作原理 ：电离室产生的粒子飘入加速电场，其初速度几乎为零 同步19页题 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，我们怎么才能把原子核打开呢？ 用高能量的粒子去轰击原子核 我们接着往下看： 可以把原子核撞开，就像我们想要了解汽车发动机内部构造是什么，我们可以用锤子把发动机砸开，然后观察里面的零件。 9 问题二：粒子获得的最大动能和什么因素有关 问题一：如何获得高能粒子呢 问题三：如何才能突破直流高压的限制，使粒子获得更多的能量 带电粒子获得的动能大小只有加速电压大小有关，与两极板距离无关 如果想要获得很高的速度，就需要两极板加很大的电压，获得很高电压在技术上很难实现 多级加速器不需要很高的电压，每一级粒子速度都会增大一点，最后就能获得很高的速度了 10 1990年建成的北京正负电子对撞机 1966年建成的斯坦福大学的加速器管长3500米 如何设计一个多次加速且减小占地的加速器呢？ 回旋加速器示意图 我们很容易可以想到，电场可以使粒子加速，磁场可以使粒子反复转圈 让粒子通过电场加速过后，在磁场中转一个圈回来，再次被电场加速，反复转圈式加速，就可以用较小的电压，较小的占地面积使粒子获得很高的速度 根据这个原理，科学家就设计了回旋加速器，他的示意图就是这样子的 12 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 回旋加速器 粒子源 匀强磁场 新知讲解 下面讲解一下回旋加速器结构和原理 一、介绍结构，A是粒子源，可以产生带电粒子、两个半圆状的金属盒，也叫D形盒、两个D形盒中间的狭缝处接交流电源，两个D形盒处在与盒面垂直的匀强磁场中。 同学们看着这个图思考一下粒子怎样被加速的 可在黑板上画图介绍原理 二、原理：19页红线， 电场需要变换方向，所以接的是交流电源,可以产生交变电场 介绍交流电：电压、电流方向随时间作周期性变化的 速度增大，运动半径也将增大 一圈圈循环往复，就可以使粒子加速到很大的速度 13 问题一：粒子在D形盒运动一个半圆所用时间是多少呢？ 问题二：所加的交变电压的周期是多少？（狭缝很窄，在狭缝中运动的时间可以忽略） 电压多久改变一次：当粒子运动半周，电压方向改变一次 （周期，循环一次所用时间） 可以画