1.4质谱仪与回旋加速器 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第一章　安培力与洛伦兹力 第4节　质谱仪与回旋加速器 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 1 学习目标、学科素养 1.能够分析带电粒子在匀强磁场中的受力及运动问题 2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 P v0 如何把带有正电荷、负电荷、不带电的粒子的一束粒子流实现按电性分离？ 利用 电场 利用 磁场 问题思考 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 一、质谱仪 同位素电荷量相同，质量不一样。 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 问题探究 观察右图: (1)S1、S2之间的电场起什么作用? (2)同位素的特点是什么?经过加速 电场获得的动能有什么特点? (3)粒子打在底片上的位置到S3的 距离有多大? 一、质谱仪 提示:(1)使粒子加速,获得一定的速度。 (2)同位素的特点是电荷量相等,质量不相等。由于电荷量相等,经过同一加速电场获得的动能相等。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 归纳总结 1.带电粒子运动分析。 2.质谱仪区分同位素: ,同位素电荷量q相同,质量不同,在质谱仪荧光屏上显示的位置就不同,故能据此区分同位素。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 练习与应用 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 典例剖析 【例1】 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要设备,构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可视为零,不计粒子间相互作用)经MN间的加速电压加速后从小孔O垂直进入匀强磁场,运转半周后到达照相底片上的P点,P点到小孔O的距离为x。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 学以致用 1.现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍 的离子,其示意图如图所示,其中加速电压 恒定。质子在入口处从静止开始被加速 电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开 磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一 加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出 口离开磁场,需将磁感应强度增加到原来的12倍。则此 离子和质子的质量比约为(　　) A.11 B.12 C.121 D.144 D 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 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”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。 问题：如何才能把粒子加速？ 问题：若一次加速能量不够呢？ 答：可以设计多级加速器。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 问题：如何设计多级加速器，能不能象下图这样设计？ 问题：应该如何设计才能避免减速从而更合理？ …… + － + － + － 二、直线加速器 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？ 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 回旋加速器 问题：回旋加速器的结构怎样？它是如何工作的？ 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 三、回旋加速器 结构： 两个半径为R狭缝间距为d的D型盒：狭缝加速，内部偏转 粒子源：发射被加速的粒子 交变电场：反复变化，周期性加速 匀强磁场：带电粒子偏转 原理： A处的粒子源产生的带电粒子在两盒狭缝间被电场加速，经过半个圆周之后，电场方向改变，粒子再一次在狭缝间加速。粒子在一次一次加速过程中粒子速度逐渐增大，轨道半径也增大，最后获得足够大的动能从出口射出去轰击其它原子。 A 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 问题探究 观察下图: (1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期有 什么特点? (2)回旋加速器交流电的周期和带电粒子在匀强磁 场中做圆周运动的周期应有什么关系? (3)回旋加速器使带电粒子获得的动能与交流电压有关吗? 三、回旋加速器 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。 (2)二者的周期必须相等,这样才能保证粒子每次经过缝隙时都能被加速。 又因为Ekm=nqU,所以交流电压不会影响带电粒子获得的动能,只会影响加速的次数。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 归纳总结 1.磁场的作用:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后,在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关,带电粒子每次进入D形盒都运动半个周期 后平行电场方向进入电场加速。如图所示。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 2.电场的作用:回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场,带电粒子经过该区域时被加速。根据动能定理:qU=ΔEk。 3.交流电压的作用:为保证粒子每次经过狭缝时都被加速,使之能量不断增加,需在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交流电压。 4.粒子最终的能量。 归纳总结 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 5.粒子被加速次数的计算。 粒子在回旋加速器中被加速的次数n= (U是加速电压的大小),一个周期加速两次。 6.粒子在回旋加速器中运动的时间。 在电场中运动的时间为t1,在磁场中运动的时间为 (n为粒子被加速次数), 总时间为t=t1+t2,因为t1≪t2,一般认为在盒内的时间近似等于t2。 归纳总结 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 练习与应用 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 练习与应用 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 练习与应用 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 典例剖析 【例2】 有一回旋加速器,其匀强磁场的磁感应强度为B,所加速的带电粒子质量为m,电荷量为q。 (1)求回旋加速器所加高频交流电压的周期T的表达式。 (2)如果D形盒半圆周的最大半径R=0.6 m,用它来加速质子,能把质子(质量m=1.67×10-27 kg,电荷量q=1.6×10-19 C)从静止加速到具有4.0×107 eV的能量,求所需匀强磁场的磁感应强度B。 思路引领:(1)粒子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力。 (2)高频交流电压的周期等于粒子在磁场中做圆周运动的周期。 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 学以致用 2.(多选)用回旋加速器来加速质子,为了使质子获得的最大动能增大为原来的4倍,可采用下列哪几种方法(　　) A.将其磁感应强度增大为原来的2倍 B.将其磁感应强度增大为原来的4倍 C.将D形金属盒的半径增大为原来的2倍 D.将两D形金属盒间的加速电压增大为 原来的4倍 答案:AC 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 答案:C 随堂训练 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直于纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而打到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是(　　)  A.粒子一定带正电 B.粒子一定带负电 C.x越大,粒子的质量与电荷量之比一定越大 D.x越大,粒子的质量与电荷量之比一定越小 答案:AC 随堂训练 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 3.(2023·黑龙江哈尔滨市第六中学校考)回旋加速器的示意图如图所示。两个相距很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中,一质子从加速器的A处开始加速。已知D形盒的半径为R,磁场的磁感应强度为B,两盒间的高频交流电源的电压为U、频率为f,质子质量为m,电荷量为q。 随堂训练 下列说法不正确的是(　　) A.质子的最大速度与高频交流电源的电压U有关, 且随电压U增大而增加 D.D形金属盒内无电场,两盒间无磁场 答案:A 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 4.电子自静止开始经M、N板间(两板间的电压为U)的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中,电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为l,如图所示。求匀强磁场的磁感应强度。(已知电子的质量为m,电荷量为e) 随堂训练 厚德博学 吃苦耐劳 责任成就人生 奋斗创造幸福 (3)。 (1)加速电场加速:根据动能定理,qU=mv2。 (2)匀强磁场偏转:洛伦兹力提供向心力,qvB=。 (3)结论:r=,测出半径r,可以算出粒子的比荷。 r= 下列关于x与(比荷的倒数)的图像可能正确的是(　　) (3)由r=,Ekm=mv2得Ekm=, 提示:(1)带电粒子做圆周运动的周期T=。 粒子速度最大时的半径等于D形盒的半径,即r=R,r=,则粒子 的最大动能Ekm=。可见,要提高粒子的最终能量,应增大磁 感应强度B和D形盒的半径R。 t2=·T= 1.有一回旋加速器,两个D形盒的半径为R,两D形盒之间的高频电压为u,偏转磁场的磁感应强度为B。如果一个α粒子和一个氚核H)都从加速器的中心开始被加速,则它们从D形盒飞出的速度之比为(　　) A. B. C. D. B.质子的最大动能为 C.高频交流电源的频率f= 答案: $$