1.4 质谱仪和回旋加速器 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

nullnull第一章 安培力与洛伦兹力 第4节 质谱仪和回旋加速器 02 03 01 主题(二) 回旋加速器 主题(一) 质谱仪 目录 CONTENTS 04 第4节 质谱仪和回旋加速器 思考：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？这些粒子地球上都有吗？ 这时我们需要测定粒子的质量？怎么测？ 新课引入： 阿斯顿：英国物理学家，长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。 阿斯顿:Francis Wi11iam Aston (1877－1945)英国物理学家，他有一句名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量。 新课引入： 新课引入： 阿斯顿:Francis Wi11iam Aston (1877－1945)英国物理学家，他有一句名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量。 第一部分 质谱仪 一 、质谱仪: 阿斯顿:用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在,由此获诺贝尔化学奖. 1.原理: 2.结论: 计算粒子的比荷或质量的仪器. 【典例1】 一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。求(1)求粒子进入磁场时的速率。(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。 解:(1) 得： 若粒子未知， 测出半径. (2) 从而就知道是哪种电荷。 典例分析：质谱仪的原理 我们就可算出粒子的比荷， 【典例2】(多选) 如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是( )A.质谱仪是分析同位素的重要工具B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P, 粒子的比荷越小 ABC 典例分析：质谱仪与速度选择器 【典例3】如果我们使用1000V的电压 , 要将质子动能加速到8×105eV , 需要多少级加速电场? 得：n=800级 优点：结构简单 缺点：加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困难的. 典例分析：直线加速器 解：nqU= 那么如何使带电粒子做曲线运动呢? 思考：能否让粒子拐个弯，从而在一个有限的空间里加速呢? U U + U B B + 第二部分 回旋加速器 二、回旋加速器 1.结构： ①两个D形盒 ②两个大磁极 ③高频交流电源 二、回旋加速器 1.结构： ①两个D形盒 ②两个大磁极 ③高频交流电源 2.原理： 二、回旋加速器 + B + - + - u t T 思考：带电粒子加速后速度增大,下一个周期需要改变吗? 2.原理： 1.结构： 二、回旋加速器 二、回旋加速器 最大动能EKm= 思考：决定粒子加速后的最大速度或最大能量由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？ 2.原理： 一个周期加速两次. ②最终半径r等于D形盒的半径R 二、回旋加速器 u t T ①U周期等于粒子运动的T= ③最终速度vm= mvm2 = + B 最大动能EKm= 2.原理： 一个周期加速两次. ②最终半径r等于D形盒的半径R 二、回旋加速器 u t T ①U周期等于粒子运动的T= ③最终速度vm= mvm2 = + B 注意： ①Vm、EK与U无关 思考：那加速电压大小有什么用呢？ ②U决定加速时间t 【典例4】如果我们要使用1000V的电压,用回旋加速器将质子加速到8×105eV,且所用磁场0.08T.质子的质量约等于1.67×10-27kg，估算这个回旋加速器的半径有多大(保留两位有效数字)? 解： 得：R≈1.6m 思考：如果我们使用1000V的电压,要将质子加速到8×105eV,需要多少级加速电场? 得：n=800级 = R EKm= mvm2 解：nqU=EKm 挑战：交变电压太烦人，能不能设计一种电压不需要改变却能反复加速的仪器呢? 二、回旋加速器 【典例5】如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图。半径为R的两个中空D形盒，处于垂直于盒面向里、磁感应强度B为的匀强磁场中。两D形盒左端狭缝处放置一场强恒定的加速电场。带电粒子从P0处以速度沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，接着又从处进入、板间，如此反复，最后从D形盒右侧的边缘飞出。对于这种改进后的回旋加速器，带电粒子每运动一周被加速 次。若被加 速的带电粒子的电荷量为q，质量为m， 则粒子的最大速度的表达式为 。 1 相邻圆的距离P1P2与P3P4距离相吗？P1P2________P3P4 > 原理: 质谱仪 构造:粒子源、加速电场、偏转磁场、胶片 用途:计算粒子的比荷，分析同位素 优点:灵敏度高，结构简单 缺点:几乎没有 电场作用：使带电粒子获得一定速度 磁场作用：使带电粒子偏转 胶片作用：使粒子显影 课堂小结 原理: 回旋加速器 构造:D形盒、强电磁铁、交流电源、粒子源、引出装置 用途:利用电场加速和磁场偏转获得高能粒子 优点:体积小。 缺点:带电粒子的能量不能很高。 磁场作用：使带电粒子偏转 电场作用：使带电粒子加速 加速条件：交变电源周期与圆周运动周期同步 课堂小结 【练习1】如图所示，回旋加速器主要由两个半径为Rm的D形盒组成，两D形盒间的电势差为U，盒间距离为d，其间电场均匀分布，磁场的磁感应强度为B，粒子源射出的质子质量为m、电荷量为q，不计粒子重力。则下列说法正确的是( 　 ) A．质子第三次和第四次加速后在磁场中运动的轨迹半径之比是3∶4 B．增大加速电场的电压U，则质子离开回旋加速器的最大动能将增大 C．质子在电场中加速所用的时间与在磁场 中运动所用时间的比值为t1:t2＝2d: D．不改变盒间交变电场的频率，该回旋加 速器也可以对α粒子加速 课堂练习 C 【练习2】(2016·全国卷Ⅰ·15)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．此离子和质子的质量比约为(　　) A．11 B．12 C．121 D．144 课堂练习 D 【练习3】(多选)如图所示，电荷量相等的两种离子氖20和氖22从容器下方的狭缝S1飘入(初速度为零)电场区，经电场加速后通过狭缝S2、 S3垂直于磁场边界MN射入匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，离子经磁场偏转后发生分离，最终到达照相底片D上．不考虑离子间的相互作用，则( 　　) A．电场力对每个氖20和氖22做的功相等 B．氖22进入磁场时的速度较大 C．氖 22在磁场中运动的半径较小 D．若加速电压发生波动，两种离子打 在照相底片上的位置可能重叠 课堂练习 AD 【练习4】(多选)用回旋加速器对粒子进行加速，可以获得高能带电粒子，两个D形盒与电压有效值为U的高频交流电源的两极相连(频率可调)，在两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，磁感应强度为B，如图所示，粒子由速度为零开始加速，不计粒子在两极板间运动的时间，关于回旋加速器的使用，下列说法正确的是( 　　) A．两盒间狭缝中交变电场的频率跟带电粒子的比荷成正比 B．不同的带电粒子在同一回旋加速器(频率相同)中 运动的总时间相同 C．带电粒子在磁场中运动时，受到的洛伦兹力不做功 ，因此带电粒子从D形盒射出时的动能与磁场的强弱无关 课堂练习 ABD 【练习5】某回旋加速器的示意图如图，两个半径均为R的D形盒置于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，并与高频电源两极相连，现对氚核(H)加速，所需的高频电源的频率为f.已知元电荷为e.下列说法正确的是(　　) A．D形盒可以用玻璃制成 B．氚核的质量为eBf/2 C．高频电源的电压越大，氚核从P处射出的速度越大 D．若对氦核(He)加速，则高频电源的频率应调为3f/2 课堂练习 D 谢 谢 观 看 null