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4节 质谱仪与 回旋加速器 第一章 人教版（2019）选择性必修二 CONTENTS 目录 质谱仪 01 回旋加速器 02 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。以便进一步分析其中所含物质的成分。 本节课我们来认识两种分析物质成分经常用到的仪器：质谱仪和回旋加速器。 新课导入 知识讲解 课堂小结 随堂练习 布置作业 1.原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子打在照相底片上位置不同。 3.加速：带电粒子进入质谱仪的电场被加速，则qU＝mv2　① 4.偏转：带电粒子进入质谱仪的磁场做匀速圆周运动，则Bqv⁠＝　② 5.结论：由①②可求半径r、质量m、比荷等，其中r＝，可知电荷量相同时，半径将随质量变化。 2.电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 一、质谱仪（初代） 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 应用：测定带电粒子的质量和分析同位素 1、质谱仪分析同位素 电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U0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（叫作质谱线）。 例如：氕、氘、氚三种同位素（q相同，m不同） 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2、质谱仪测粒子的比荷、质量 ①测比荷： （只需知道U0、r和B，即可求出比荷） ②测质量： r D 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 思考：初速度不等于0的话，结果怎样？ 弊端：初速度不等于0的话，区别不开。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 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。 粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场 质谱仪（升级版） 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 例1. 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？ 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 解析：（1）在a 中，e 被加速电场U1加速，由动能定理有 ，得 （2）在b 中，e 受的电场力和洛伦兹力大小相等，即 ，代入v 值得 （3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径 ，代入v值得 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 想要研究原子的结构，我们就需要“打开”原子核的高能“炮弹”，而加速器就是制造高能“炮弹”的“工厂”。 在研究电场时，我们知道可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量，即 ,电压越高粒子增加的能量越大。但有一个技术问题就是如何产生高压？ 为了解决这一技术难题，我们想到了“多级加速”，也就是直线加速器，但设备太长。 二、回旋加速器 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 能否把加速电场盘起来，像水管或者电线一样，节省空间呢？ 带电粒子做圆周运动的周期T＝。对一个特定的带电粒子，在固定不变的匀强磁场中，其周期是一个定值，与速度无关——回旋加速器 设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理有： 得 第 n 个圆筒的长度为 直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。有没有什么办法改进？ 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 实验演示：回旋加速器原理及构造 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 回旋加速器：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的装置。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 思考1：两个D形盒之间缝隙的电场方向应该如何变换呢？ 接高频 电源 狭缝 粒子源 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区域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。 带电粒子在D形盒中运行的周期： 每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 新课