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质谱仪和回旋加速器 学习目标 1.了解质谱仪和回旋加速器的原理、构造、用途 2. 会应用质谱仪求解带电粒子的比荷 3. 理解回旋加速器加速的加速原理和决定关系。 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 那么这些粒子都是什么种类的粒子？ 这时我们也需要的是将这些粒子分开来研究， 设计实验方案：如何分离不同带电粒子？ 新课引入 U0 L y U d m , q （2）再电场偏转 由： 得： 通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的。 我认为粒子必须动起来才可能分开，所以要先用电场加速粒子再用电场偏转粒子，有可能就分成不同轨迹了，也就把不同粒子分开了。 由水平： 由竖直： 质谱仪和回旋加速器 得： （1）先电场加速 （1）先电场加速 由： 得： U0 B m , q （2）再磁场偏转 由： 得： 得： 根据r这个表达式，B、U0一定时，不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。 我也认为粒子必须动起来才能分开，可以用电场加速粒子，再用磁场去偏转粒子，说不定会分成不同轨迹。 如何记录粒子的轨迹？如何测量？ 质谱仪和回旋加速器 照相底片 如果我们在磁场的上边界适当处放置一张感光底片，大量的不同带电粒子打在照相底片的不同地方感光，通过测量感光点与入射点的距离就可以测出圆周运动的半径r，进而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的质量。 继续改进 质谱仪和回旋加速器 弗朗西斯•阿斯顿 在19世纪末，英国物理学家汤姆孙的学生“阿斯顿”就按照这样的想法设计了质谱仪，证实了化学中同位素的存在。现在经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是粒子物理科学研究和分析同位素的重要工具。 1.质谱仪的发明 一、质谱仪 质谱仪和回旋加速器 2. 质谱仪的构造 质谱仪主要由以下几部分组成 ① 带电粒子注入器 ② 加速电场 ( U ) ③ 速度选择器 ( B1、E ) ④ 偏转磁场 ( B2) ⑤ 照相底片 质谱仪和回旋加速器 3. 质谱仪的工作原理 （1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即 （2）在速度选择器中，只有满足 qvB1 = qE， 即 粒子才能通过 速度选择器。 （3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： 一、质谱仪 质谱仪和回旋加速器 V形同，B2相同，因此不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动 4.作用： ①可测粒子的质量及比荷 ②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素 质谱仪和回旋加速器 未知的元素对应了不同种类的原子，我们该如何去研究不同的原子组成成分呢？ 在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“子弹”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？ 高速可子弹击碎物体 高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子 质谱仪和回旋加速器 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 二、直线加速器 质谱仪和回旋加速器 ２.多级加速器 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。 质谱仪和回旋加速器 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俯视图 欧州的强子对撞外景 质谱仪和回旋加速器 U m , q B 如果让带电粒子在电场中加速一次后，能转一圈回来被电场再接着加速，如此往复转圈式的被加速，不就可以多次加速又省空间了吗？ 基于这种想法，人们设计出了用磁场控制轨道，用电场进行加速的装置,就是回旋加速器。 我的想法是，只有电场才能让粒子加速，磁场的洛伦兹力只能改变粒子的方向，但是磁场能让粒子做反反复复的圆周运动。 质谱仪和回旋加速器 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。 三、回旋加速器 劳伦斯 第一台回旋加速器 质谱仪和回旋加速器 2. 回旋加速器的构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 三、回旋加速器 质谱仪和回旋加速器 如图是回旋加速器的原理图，思考下列问题： (1)电场的作用是什么？ (2)磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？ (3)为了保证粒子每次经过电场都被加速，对交变电压的周期有什么要求？ (4)带电粒子经过回旋加速器加速后，获得的动能由哪些因素决定 【问题探究】 电场 →加速 磁场 →偏转