1.4质谱仪与回旋加速器 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

4.4 质谱仪与回旋加速器 作者编号：43999 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？ 问题？ 作者编号：43999 一.质谱仪 用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 1.作用 作者编号：43999 2.基本构造 ① 带电粒子的容器 ④照相底片 ② 加速电场 ( U0 ) ③ 偏转磁场 ( B2 ) 作者编号：43999 3.工作原理 （1）在加速电场中，由动能定理得： （2）在偏转磁场中，粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力 作者编号：43999 轨道半径： 比荷： = 质量： m = 作者编号：43999 二.加速器 思考：在粒子物理学的研究中，经常需要极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？ 让粒子在电场中进行加速，加速电压越高，粒子获得的动能就越高。 1.直线加速器 作者编号：43999 实际生活中产生过高的电压技术是很困难的，所以能不能采用多个电场进行多级加速的方法呢？ 作者编号：43999 直线加速器占地太大，能不能让它小一点？ 作者编号：43999 2.回旋加速器 1932年，美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖． 作者编号：43999 （1）基本结构 ① 两个D形盒及两个大磁极 ② D形盒间的高频交流电 作者编号：43999 注意：两D形盒中有匀强磁场，缝隙间有交变电场。 作者编号：43999 （2）工作原理 磁场的作用：使粒子偏转 电场的作用：使粒子加速 交变电压的作用：使粒子每次经过窄缝时都被加速 作者编号：43999 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期： 对一定的带电粒子和一定的磁场来说，尽管粒子的速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。 作者编号：43999 如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区域时，正好赶上适合的电场方向而被加速。 （3）电场的周期：=磁 作者编号：43999 思考：带电粒子在回旋加速器中加速，最终能达到多大的速度呢？这个最大速度与加速电压的大小有关系吗？ 当轨迹半径r达到D形盒最大半径R时，此时粒子速度达到最大。 （4）粒子加速的最大速度由盒的半径决定，与加速电压无关。 v = = 作者编号：43999 为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关？ 解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数越多。 （5）加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响飞出时的速度和动能. 作者编号：43999 加速的总次数： N= 在D型盒中运动总时间： t=·T=· 作者编号：43999 （6）每次加速，动能的增加量都相等，速度增量会越来越小，半径增加会越来越慢，越往外轨迹越密集。 作者编号：43999 思考：增大D形的半径R，粒子能获得的最大速度就增大，那么是不是只要不断增大D形盒的半径，就可以使粒子速度无限制增大呢？ 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 〜 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。 作者编号：43999 1．质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点。设P到S1的距离为x，则（　　） A．只要x相同，对应的离子质量一定相同 B．只要x相同，对应的离子电荷量一定相同 C．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大 D．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小 C 作者编号：43999 2.（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AD上方区域存在垂直纸面向外的匀强磁场。同位素离子源产生a、b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，a离子恰好打在C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（　　 ） A．两个离子均为负离子 B．a离子质量比b离子质量小 C．a、b离子在磁场中的运动时间相等 D．若增大加速电场的电压U，则两离子在偏转 磁场中运动的半径都变大 BD 作者编号：43999 3.（多选）1932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D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是(　 ) A．带电粒子由加速器的中心附近进入加速器 B．带电粒子由加速器的边缘进入加速器 C．电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转 D．离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关 ACD 作者编号：43999 4.（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 AC 作者编号：43999 $