1.4 质谱仪与回旋加速器（同步课件）-【上好课】2024-2025学年高二物理同步精品课堂（人教版2019选择性必修第二册）

sssss 主讲人：LWH 第4节 质谱仪与回旋加速器 第1章 QQ:419561425 SZ-LWH 1 目 录 CONTENTS 质谱仪 01 回旋加速器 02 SZ-LWH Sz-lwh Qq:419561425 2 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? SZ-LWH 情境导入 Sz-lwh Qq:419561425 01 质谱仪 SZ-LWH 4 设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？ 一束带电粒子经电场加速后，在磁场中偏转。 （1）带电粒子从静止开始经电场加速，求出电场时的速度。   （2）带电粒子偏转磁场中做什么运动？轨道半径为多大？ （3） 你会求粒子在偏转磁场中的偏转距离吗？ （4） 你能得出得粒子的比荷和质量表达式吗？ 经电场加速 得： 由： x = 2 r 比荷: 质量: SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 弗朗西斯•阿斯顿 SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 6 1.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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 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 SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 7 3.原理： 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 由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。 由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r 比荷: 质量: 由： 得： 得： 由： 经电场加速 得： SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 8 例1（指向目标1、2）如图所示，一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场（磁感应强度为B）和匀强电场（电场强度为E）组成的速度选择器，然后通过狭缝P进入另一匀强磁场（磁感应强度为B ’ ），最终打在A1A2上，粒子重力不计。下列表述正确的是（ ） A.粒子带负电 B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B C.粒子打在A1A2的位置越靠近P，粒子的比荷q/m越大 D.所有打在A1A2上的粒子，在磁感应强度为B’的磁场中的运动时间都相同 SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 9 解析： A、带电粒子在磁场中向左偏转，根据左手定则，知该粒子带正电．故A错误． B、粒子经过速度选择器时所受的电场力和洛伦兹力平衡，有：qE=qvB．则v=   ．故B正确． C、经过速度选择器进入磁场B'的粒子速度相等，根据       知，粒子打在AlA2上的位置越靠近P，则半径越小，粒子的比荷越大．故C正确． D、所有打在AlA2上的粒子，在磁场B'中做匀速圆周运动，运动的时间等于t=   ，T=     ，则t=    ，与带电粒子的比荷有关．故D错误． 故选BC． SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 直线加速器 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”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？ 科学探究 产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器 SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 11 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 SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 U m , q B 用磁场控制轨道，用电场进行加速粒子的装置---回旋加速器 SZ-LWH 一、质谱仪 Sz-lwh Qq:419561425 02 回旋加速器 SZ-LWH 14 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。 劳伦斯 第一台回旋加速器 SZ-LWH 二、回旋加速器 Sz-lwh Qq:419561425 15 概念：利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在较小的范围内来获得高能粒子的装置。 2.结构：回旋加速器的核心部件是: （1）两个D形盒(半圆金属盒） （2）A粒子源 （3）交流电源 （4）偏转磁场 原理图 SZ-LWH 二、回旋加速器 Sz-lwh Qq:419561425 U 3.工作原理： （1）磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达式？周期？粒子在磁场中运动特点？   （2）电场的作用是什么？   电场使粒子加速 （3）再次进入电场，怎么保证能做加速运动？   （4）带电粒子飞出回旋加速器加速时，获得的动能由哪些因素决定？ 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 由： 得： SZ-LWH 二、回旋加速器 Sz-lwh Qq:419561425 17 【例2】(指向目标1、2)回旋加速器是用来加速带电粒子，使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子带电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示。问： (1)D形盒内有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电压频率应是多大？ (4)粒子离开加速器时速度为多大？动能为多少？ SZ-LWH 二、回旋加速器 Sz-lwh Qq:419561425 解析： （1）加速器由D形盒盒间缝隙组成，盒间缝隙对粒子加速有有电场，D形盒起到让粒子旋转再次通过盒间缝隙进行加速，要做匀速圆周运动，没有电场．则有电场只存在于两盒之间，而盒内无电场 （2）粒子在磁场中只受洛伦兹力作用，洛伦兹力始终与速度垂直，粒子做匀速圆周运动 （3）粒子速度增加则半径增加，当轨道半径达到最大半径时速度最大                  由R=       得Vmax=            则其最大动能为：Ekmax=   mv2max=        SZ-LWH 二、回旋加速器 Sz-lwh Qq:419561425 1.（质谱仪）（多选）质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组 成，虚线 上方区域存在垂直于纸面向外的匀强磁场。同位素离子源产 生 、 两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加 速后，垂直进入磁场， 离子恰好打在 点， 离子恰好打在 点。离子 重力不计，则下列说法正确的是( ) A.两个离子均为负离子 B. 离子质量比 离子质量小 C. 、 离子在磁场中的运动时间相等 D.若增大加速电场的电压 ，则两离子在偏转磁场中运 动的半径都变大 √ √ SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 20 解析：选 。离子进入磁场时，速度向上，向右偏转，说明合力向右， 由左手定则可知，离子带正电，故A错误； 、 离子进入磁场时速度为 ， 则 ，在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力 ， 联立解得 ，由题图可知，离子 在磁场中运动的轨道半 径较大， 、 为同位素，电荷量相同，所以离子 的质量大于离子 的， 故B正确； 、 在磁场中运动的时间均为半个周期，即 ，由 于离子 的质量大于离子 的，故离子 在磁场中运动的时间较长，故C 错误；由 可知，若增大加速电场的电压 ，则两离子在偏转磁 场中运动的半径都变大，故D正确。 SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 21 2.（质谱仪）（多选）某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示， 为 粒子加速器，加速电压为 ； 为速度选择器，磁场与电场正交，磁感 应强度为 ，两板间距离为 ； 为偏转分离器，磁感应强度为 。今 有一质量为 、电荷量为 的粒子（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匀速圆周运动，则下列说法正确的 是( ) SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 22 A.粒子带负电 B.粒子进入速度选择器的速度 C.速度选择器两板间电压 D.粒子在分离器中做匀速圆周运动的半径 √ √ √ SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 23 解析：选 。由题图可知带电粒子进入偏转分离器时受到的洛伦兹力方 向向右，根据左手定则可知，粒子带正电，故A错误；粒子经过加速电场 过程，根据动能定理可得 ，解得粒子进入速度选择器的速度 为 ，故B正确；粒子在速度选择器运动过程，根据受力平衡可 得 ，解得速度选择器两板间电压为 ， 故C正确；粒子在分离器中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力可得 ，解得 ，故D正确。 SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 24 3.（回旋加速器）（多选）1930年劳伦斯制成了世界 上第一台回旋加速器，其原理如图所示。这台加速器 由两个铜质D形盒 、 构成，其间留有空隙，下 列说法正确的是( ) A.离子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大 B.离子从磁场中获得能量 C.增大 形盒的半径，其余条件不变，离子离开磁场的动能将增大 D.增大加速电场的电压，其余条件不变，离子在 形盒中运动的时间变短 √ √ SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 25 解析：选 。根据洛伦兹力提供向心力可得 ，离子在回旋加 速器中做圆周运动的周期 ，联立可得 ，可知离子在回旋 加速器中做圆周运动的周期与半径无关，故A错误；回旋加速器是利用电 场加速，离子从电场中获得能量，故B错误；当离子在磁场中的轨道半径 等于D形盒半径 时，离子具有最大速度，最大动能，则有 ， 解得最大速度为 ，最大动能为 ，增大D 形盒的半径，其余条件不变，离子离开磁场的动能将增大，故C正确；增 大加速电场的电压，其余条件不变，每次加速后粒子获得的动能增加，但 最终的动能不变，故在磁场中加速的次数减小，带电粒子在D形盒中运动 的时间变短，故D正确。 SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 26 4.（回旋加速器）（多选）如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是(　　 ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能 √ √ SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 课堂小结 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 由： 得： 1.条件： 2.粒子能量： SZ-LWH Sz-lwh Qq:419561425 谢谢各位的聆听！ QQ：419561425 SZ-LWH Sz-lwh Qq:419561425 29 星之所在 初音未来 Other 132264.0 $$