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

1.4质谱仪与回旋加速器 问题导入： 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? 阿斯顿 质谱仪 粒子注入器 速度选择器 加速电场 偏转磁场 质谱仪的工作原理 在加速电场中： 在磁场中： 测量： 质谱仪 实现多次加速，又能减少占地空间的加速器 接高频 电源 狭缝 粒子源 1.加速电场的周期： 回旋加速器的工作原理 2.粒子能获得的最大速度 3.加速电压越大，每次速度增量越大，半径r增加得越快，加速次数越少 1. 教材习题改编：A、B是两种同位素的原子核，它们具有相同的电荷、不同的质量。为测定它们的质量比，使它们从质谱仪的同一加速电场由静止开始加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入同一勾强磁场，打到照相底片上。从底片上获知A、B在磁场中运动轨迹的直径之比是。则（ ） A. A、B的质量之比为 B. A、B的质量之比为 C. A的动量小于B的动量 D. A的动量大于B的动量 D 2.如图，有一混合正离子束先后通过正交电场磁场区域工和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子束流在区域工中不偏转，进人区域Ⅱ后偏转半径又相同，则说明这些正离子具有相同的（ ） A. 动能 B. 质量 C. 电荷 D. 荷质比 D 3.如图所示，一束含不同离子的离子束，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场并分裂为A、B两束，则( ) A. A束离子的比荷一定大于B束离子的比荷 B. A束离子的动量一定等于B束离子的动量 C. 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 D. 若仅将离子束电性改为相反，则离子不能顺利通过速度选择器 A 4.教材习题改编：回旋加速器D形盒的半径为r，今强磁场的磁感应强度为B。一个质量为m、电荷量为q的粒子在加速器的中央从速度为0开始加速。下列说法正确的是（ ） A. 回旋加速器是靠磁场加速的 B. 若磁感应强度B增大，交流电源频率必须适当增大才能正常工作 C. 仅升高加速电压，粒子出D形盒的速度将变大 D. 仅升高加速电压，粒子出D形盒的速度将变小 B 5.（多选）如图是回旋加速器的结构示意图，主要由两个半圆形的中空铜D形盒构成，两盒间留有一狭缝，置于真空中。匀强磁场B垂直穿过盒面，由高频振荡器产生的交变电压加在两盒间的狭缝处。关于回旋加速器，下列说法正确的是( ) A. 图中两D形盒内所加磁场使粒子发生偏转 B. 图中两D形盒间所加电场使粒子发生偏转 C. 粒子在磁场中的运动周期随粒子速度的增大而减小 D. 图中D形盒的半径越大，同一粒子最终获得的动能越大 AD 6.质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不m，q同正离子束(速度可看成为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S 的距离为x。 (1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小。 (2)氢的三种同位素、、从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S的距离之比 xH : xD : xT为多少? 答案：（1）（2） 7.一台质谱仪的工作原理如图，电荷量为q、质量为m的正离子，从容器A下方的小孔飘入电压为U的加速电场，其初速度几乎为0。这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中，最后打在照相底片MN的中点P上。已知，放置底片的区域，且 (1)求离子进入磁场时的速度v的大小; (2)求磁场的磁感应强度B的大小; (3)某次测量发现底片MN左侧包括P点在内的区域损坏，检测不到离子，但右侧区域仍能正常检测到离子。若要使原来打到底片中点的离子可以被检测，在不改变底片位置的情况下，分析说明可以采取哪些措施调节质谱仪。 答案：（1）（2）（3）可增大加速电场的电压U或减小磁场的磁感应强度B 8.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，用它来加速质子，能把质子(质量，电荷量)从静止加速到具有的能量，求所需匀强磁场的磁感应强度 B。 答案：（1）（2）1.53T Lavf60.3.100 Lavf60.3.100 $$