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

1.4 质谱仪与回旋加速器 第一章 安培力与洛伦兹力 1 知识回顾： 带电粒子匀强磁场中做圆周运动的轨道半径和周期与什么因素有关？ 为了便于存取，超市不同种类的豆子是分开存放 太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子 为了了解这些粒子都是什么种类的粒子， 我们也需要将这些粒子分开来研究。 新课引入 3 新课引入 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？ 思考与讨论： 猜想一：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。 U0 L y U d m , q （1）先加速 （2）再偏转（类平抛运动） 由： 得： 纵向： 横向： 得： 由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。 猜想二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。 （1）先加速 （2）再偏转(匀速圆周运动） 由： 得： 得： 由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。 U0 B m , q 质谱仪 PART ONE 7 质谱仪 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S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。 质谱仪的结构及作用 加速电场 偏转磁场 照相底片 电离室 ①加速电场：使带电粒子获得速度 ②偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ③照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 ④电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 (1)先在电场中加速： 由动能定理得： 由此可得： (2)后在磁场中偏转： 向心力为受的洛伦兹力提供，即 所以粒子的轨道半径为 质谱仪的原理 粒子比荷不同，轨道半径也不同，即可区分开来。 质谱仪的作用 通过质谱仪，可以将未知粒子与已知粒子半径对比发现未知的元素和同位素；此外，还可以通过质谱仪计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径r,则有： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？ 质谱仪的改进 原理图 加速电场 速度选择器 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 速度选择器E，B： 偏转磁场B0： 观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？ 例1．质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点。设P到S1的距离为x，则（　　） A．只要x相同，对应的离子质量一定相同 B．只要x相同，对应的离子电荷量一定相同 C．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大 D．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小 C 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”。如何产生极高能量的粒子？ 粒子加速 粒子加速器 可以通过什么样的方法使粒子加速？ 问题思考： 1.单级加速器 · ＋ － U m q 粒子获得的能量：Ek=Uq 缺点: 受实际能达到的电压限制,所获能量并不太高 直线加速器 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 缺点:多级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。 2.多级直线加速器 能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？ 北京正负电子对撞机 202米 欧洲强子对撞磁场加速器 几公里 17 回旋加速器 PART TWO 18 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进行多级加速。 回旋加速器 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室. ①两个大磁极 ：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。 ②两个D形扁平铜盒：使D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒子的圆周运动不受电场影响。 ③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。 ④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。 回旋加速器的结构及作用 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 （1）为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙