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 质谱仪 回旋加速器 一、质谱仪 精密测量带电粒子质量和分析同位素（测荷质比）的仪器 加速电场： 偏转磁场： 比荷： 发明者： 弗朗西斯·阿斯顿1877年9月1日出生于英国伯明翰。 1894年，他在梅森学院（后并入伯明翰大学）开始大学生活，师从约翰·亨利·波因廷学习物理，师从弗兰克兰和威廉·蒂尔登学习化学。 1909年，阿斯顿成为伯明翰大学讲师。一年后，受J·J·汤姆孙的邀请，转投剑桥大学卡文迪许实验室。第一次世界大战爆发后，他的研究被迫中断，期间被征募为皇家空军服务。 1919年，他重回实验室，继续对氖的同位素进行研究。很快，他成功研制了第一台质谱仪，并相继制出性能更高的第二和第三部。借助这些具备电磁聚焦性能的质谱仪，他鉴别出至少212种天然同位素。通过对大量同位素的研究，他阐述了“整数法则”，即：除了氢以外的所有元素，其原子质量都是氢原子质量的整数倍。 大型强子对撞器（Large Hadron Collider，LHC），是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。 LHC已经建造完成，北京时间2008年9月10日下午15：30正式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。 2010年3月19日，世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC），这个预期的建造总额约为八十亿元美金的世界最大型强子对撞机成功地打破了自身于2009年12月份创造的纪录，成为全世界能量最强的对撞机。 2015年4月5日，经过约两年的停机维护和升级后，欧洲大型强子对撞机重新启动，正式开启第二阶段运行。 二、回旋加速器（D型盒） 解决办法： 采用多次加速的方法 问题1： 如何加速带电粒子？ 让粒子通过加速电场，可对粒子加速。 q U 问题2： 如何使粒子获得较大速度？ 直线加速器（分级加速） 优点：各级电压独立，低压分级加速。 缺点：级数太多，占用空间太大。 高压加速 容易使周围的空气电离变成导体，击穿电极板 技术上无法产生过高电压 二、回旋加速器（D型盒） SLAC国家加速器实验室位于美国西海岸旧金山湾区南部的门洛帕克，占地约426英亩，成立于1962年，原名“斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）”，2008年10月改名为SLAC国家加速器实验室。 SLAC隶属美国能源部，具体有斯坦福大学负责运行管理。 目前已经建成的直线加速器有几千米甚至几十千米长 用磁场控制轨迹，让粒子做圆周运动；用电场进行加速 解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来” 二、回旋加速器（D型盒） X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 问题：要使粒子每次经过平行极板都 被加速，对平行极板间的电压有何要求？ 平行极板间的电压需周期性改变方向，且电压的周期与带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期相同。 与粒子的运动速度无关，对于同一粒子周期不变! 交变电压 1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋回速器投入运行，它能将质子加速到1Mev。 1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。 二、回旋加速器（D型盒） 回旋加速器的构造： 如下图所示，回旋加速器主要由以下几部分组成：①粒子源；②两个D形盒；③匀强磁场；④高频电源 粒子最终获得的速度与哪些因素有关？ 与“D形盒”的直径D和磁感应强度B有关，与加速电压U无关。 费米国立加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，缩写：Fermilab或 FNAL，简称费米国家实验室。），是隶属于美国能源部的一所美国国家实验室，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。 R U小加速次数多 U大加速次数少 二、回旋加速器（D型盒） 只要不断增大回旋加速器的半径，就能不断提高粒子获得的速度吗？ 不能！按照狭义相对论，粒子的质量随速度增大而增大， 而质量的变化会导致周期的变化，从而破坏了电场变化 周期的同步。 实际上，回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25~30MeV后，就很难再加速了 二、回旋加速器（D型盒） 最大动能： 二、回旋加速器（D型盒） 最大速度