質(zhì)譜儀回旋加速器

1、m q2 v qUmv 2 1 S S 2 21 U 可得：可得： 間，電場力做功獲得能間，電場力做功獲得能在在 q mU2 B 1 rv q mv r r v mqv ,v 2 可得：可得：代入代入 洛侖茲力提供向心力洛侖茲力提供向心力垂直進入磁場垂直進入磁場以速度以速度 B B 可見半徑不同可見半徑不同 意味著比荷不同，意味著比荷不同， 意味著它們是不同意味著它們是不同 的粒子的粒子 這就是質(zhì)譜儀的工作原理這就是質(zhì)譜儀的工作原理 一、質(zhì)譜儀一、質(zhì)譜儀原理分析原理分析 1 1、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀: :是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具 2、工作原理、

2、工作原理將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一 電場加速電場加速再垂直進入同一再垂直進入同一勻強磁場勻強磁場，由于粒子質(zhì)量不同，由于粒子質(zhì)量不同， 引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中所含同位素引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中所含同位素 的種類的種類 質(zhì)譜儀的兩種裝置質(zhì)譜儀的兩種裝置 帶電粒子質(zhì)量帶電粒子質(zhì)量m,電荷量電荷量q,由電壓由電壓U加速后垂直進加速后垂直進 入磁感應強度為入磁感應強度為B的勻強磁場的勻強磁場,設軌道半徑設軌道半徑 為為r,則有：則有： N U O M B 2 2 1 mvqU r mv qvB 2 可得可得 22 2

3、rB U m q 帶電粒子質(zhì)量帶電粒子質(zhì)量m,電荷量電荷量q,以速度以速度v穿過速度選擇穿過速度選擇 器器(電場強度電場強度E，磁感應強度，磁感應強度B1),垂直進入磁感應強垂直進入磁感應強 度為度為B2的勻強磁場的勻強磁場.設軌道半徑為設軌道半徑為r,則有：則有： M B2 E B1 NqE=qvB1 r mv qvB 2 2 可得：可得： rBB E m q 21 均可測定荷質(zhì)比均可測定荷質(zhì)比 1.1.加速器的種類有哪些加速器的種類有哪些? ? 2.2.各自是如何實現(xiàn)對帶電粒子加速的各自是如何實現(xiàn)對帶電粒子加速的? ? 3.3.各有什么優(yōu)缺點各有什么優(yōu)缺點? ? 閱讀課本P101 思考下列

4、問題思考下列問題 1 1加速原理：加速原理： 利用加速電場對帶電粒子做正功使利用加速電場對帶電粒子做正功使 帶電粒子的動能增加。帶電粒子的動能增加。 二二. .加速器加速器 qUmv 2 1 2 + U + + + 2 2直線加速器（多級加速）直線加速器（多級加速） 如圖所示是多級加速裝置的原理圖：如圖所示是多級加速裝置的原理圖： 二二. .加速器加速器 直線加速器直線加速器 粒子在每個加速電場中的運動時間相等，粒子在每個加速電場中的運動時間相等， 因為交變電壓的變化周期相同因為交變電壓的變化周期相同 多級直線加速器有什么缺點？多級直線加速器有什么缺點？ 直線加速器直線加速器 利用加速電場對帶

5、電粒子做正利用加速電場對帶電粒子做正 功功,使帶電的粒子動能增加，使帶電的粒子動能增加， 即即 qU =Ek 直線加速器的多級加速：直線加速器的多級加速： 教材圖教材圖3.6-5所示的是多級所示的是多級 加速裝置的原理圖，由動能定理可知，帶電粒加速裝置的原理圖，由動能定理可知，帶電粒 子經(jīng)子經(jīng)n級的電場加速后增加的動能，級的電場加速后增加的動能， Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un） 直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空 間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。 P1 圖圖3.6-5多級加速器多級加速器 P2P3P4P5P

6、6 一級一級二級二級三級三級n級級 加速原理：加速原理： 1932年年,美國物理學家勞侖斯發(fā)明了美國物理學家勞侖斯發(fā)明了 從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了 一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學獎一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學獎 回旋加速器回旋加速器 1 1、作用：產(chǎn)生高速運動的粒子、作用：產(chǎn)生高速運動的粒子 2 2、原理、原理 用磁場控制軌道、用電場進行加速用磁場控制軌道、用電場進行加速 +- +- 不變 無關、與 T rv qB m T 2 2 D qB mv m qBD v 2 2 D qB mv 2 2 1 mvE K m D

7、Bq E K 8 222 D越大，越大，EK越大，是不是只要越大，是不是只要D不斷增大，不斷增大， EK 就可以無限制增大呢就可以無限制增大呢? m DBq EK 8 222 2.交變電場的周期和粒子的運動周期交變電場的周期和粒子的運動周期 T相同相同-保證粒子每次經(jīng)過交變保證粒子每次經(jīng)過交變 電場時都被加速電場時都被加速 1. 粒子在勻強磁場中的運動周期不變粒子在勻強磁場中的運動周期不變 qB m T 2 3.帶電粒子每經(jīng)電場加速一次帶電粒子每經(jīng)電場加速一次,回旋半徑回旋半徑 就增大一次就增大一次,每次增加的動能為每次增加的動能為 qUE K 4.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定粒子加速的最

8、大速度由盒的半徑?jīng)Q定 周期與速度和軌道半徑無關周期與速度和軌道半徑無關 帶電粒子做勻速圓周運動的周期公式帶電粒子做勻速圓周運動的周期公式 , qB m T 2 帶電粒子的周期在帶電粒子的周期在q、m、B不變的情況下與速度不變的情況下與速度 和軌道半徑無關。和軌道半徑無關。 因而圓運動周長因而圓運動周長 qB mv r 2 2 也將與也將與v成正比例地增大，成正比例地增大， 如果其他因素如果其他因素(q、m、B)不變不變, 則當速率則當速率v加大時加大時, qB mv r 得知圓運動半徑將與得知圓運動半徑將與v成正比例地增大成正比例地增大, 由由 因此運動一周的時間（周期）仍將保持原值。因此運動

9、一周的時間（周期）仍將保持原值。 最終能量最終能量 粒子運動半徑最大為粒子運動半徑最大為D形盒的半徑形盒的半徑R 帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量： 由由 qB mv R 有有 , m qBR v 所以最終能量為所以最終能量為 m qRB mvEk 22 1 222 2 討論：要提高帶電粒子的最終能量，應采取什討論：要提高帶電粒子的最終能量，應采取什 么措施？么措施？ 回旋加速器加速的帶電粒子回旋加速器加速的帶電粒子, 能量達到能量達到25 MeV 30 MeV后，就很難再加速了。后，就很難再加速了。 1. 在磁場中做圓周運動在磁場中做圓周運動,周期不變周期不變 2. 每

10、一個周期加速兩次每一個周期加速兩次 3. 電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相 同同 4. 電場一個周期中方向變化兩次電場一個周期中方向變化兩次 5. 粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定 6. 電場加速過程中電場加速過程中,時間極短時間極短,可忽略可忽略 結(jié)論結(jié)論 .關于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是：關于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是： A、電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋、電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋 B、電場和磁場同時用來加速帶電粒子、電場和磁場同時用來加速帶電粒子 C、同一

11、加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大 動能由加速電壓決定動能由加速電壓決定 D、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大 動能由磁感應強度動能由磁感應強度B決定和加速電壓決定決定和加速電壓決定 (A) 2回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分 是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個D形金屬盒，形金屬盒， 兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強電場，使粒兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強電場，使粒 子在通過狹縫時都能得到加速兩子在

12、通過狹縫時都能得到加速兩D形金屬盒處于垂形金屬盒處于垂 直于盒底面的勻強磁場中，如圖所示，設勻強磁場的直于盒底面的勻強磁場中，如圖所示，設勻強磁場的 磁感應強度為磁感應強度為B，D形金屬盒的半徑為形金屬盒的半徑為R，狹縫間的距，狹縫間的距 離為離為d，勻強電場間的加速電壓為，勻強電場間的加速電壓為U，要增大帶電粒子，要增大帶電粒子 （電荷量為（電荷量為q質(zhì)量為質(zhì)量為m，不計重力）射出時的動能，則，不計重力）射出時的動能，則 下列方法中正確的是：下列方法中正確的是： ( ) A增大勻強電場間的加速電壓增大勻強電場間的加速電壓 B減小狹縫間的距離減小狹縫間的距離 C增大磁場的磁感應強度增大磁場的磁

13、感應強度 D增大增大D形金屬盒的半徑形金屬盒的半徑 d R B U 解：解： qB mv R m qBR v m )qBR( mvEk 22 1 2 2 C D 北京正負電子對撞機：撞出物質(zhì)奧秘北京正負電子對撞機：撞出物質(zhì)奧秘 大科學裝置的存在和應用水大科學裝置的存在和應用水 平，是一個國家科學技術(shù)發(fā)展的平，是一個國家科學技術(shù)發(fā)展的 具象。它如同一塊巨大的磁鐵，具象。它如同一塊巨大的磁鐵， 能夠集聚智慧，構(gòu)成一個多學科能夠集聚智慧，構(gòu)成一個多學科 陣地。作為典型的大科學裝置，陣地。作為典型的大科學裝置， 北京正負電子對撞機的重大改造北京正負電子對撞機的重大改造 工程就是要再添磁力。工程就是要再

14、添磁力。 北京正負電子對撞機在我國大科學裝置工程中赫赫有名，北京正負電子對撞機在我國大科學裝置工程中赫赫有名， 為示范之作。為示范之作。1988年年10月月16日凌晨實現(xiàn)第一次對撞時，曾被日凌晨實現(xiàn)第一次對撞時，曾被 形容為形容為“我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后， 在高科技領域又一重大突破性成就在高科技領域又一重大突破性成就”。北京正負對撞機重大改。北京正負對撞機重大改 造工程的實施，將讓這一大科學裝置造工程的實施，將讓這一大科學裝置“升級換代升級換代”，繼續(xù)立在，繼續(xù)立在 國際高能物理的前端。國際高能物理的前端。 北京正負電子對撞機

15、重大改造工程完工后，北京正負電子對撞機重大改造工程完工后，將成為世界上將成為世界上 最先進的雙環(huán)對撞機之一最先進的雙環(huán)對撞機之一。 世界上最大、能量最高的粒子加速器世界上最大、能量最高的粒子加速器 歐洲大型強子對撞機歐洲大型強子對撞機 世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸 中國參與研究中國參與研究 這項實驗在深入地底這項實驗在深入地底100米、長達米、長達27公里的環(huán)型隧道內(nèi)進行。公里的環(huán)型隧道內(nèi)進行?？茖W家預計，科學家預計， 粒子互相撞擊時所產(chǎn)生的溫度，比太陽溫度還要高粒子互相撞擊時所產(chǎn)生的溫度，比太陽溫度還要高10萬倍，就好比萬倍，就好比137億年前宇億年前宇

16、宙發(fā)生大爆炸時那一剎那的情況。宙發(fā)生大爆炸時那一剎那的情況。 在瑞士和法國邊界地在瑞士和法國邊界地 區(qū)的地底實驗室內(nèi)，科學區(qū)的地底實驗室內(nèi)，科學 家們正式展開了被外界形家們正式展開了被外界形 容為容為“末日實驗末日實驗”的備受的備受 爭議的計劃。他們啟動了爭議的計劃。他們啟動了 全球最大型的強子對撞機全球最大型的強子對撞機 (LHC)，把次原子的粒子把次原子的粒子 運行速度加快至接近光速運行速度加快至接近光速， 并將互相撞擊，模擬宇宙并將互相撞擊，模擬宇宙 初開初開“大爆炸大爆炸”后的情況。后的情況。 科學家希望借這次實驗，科學家希望借這次實驗， 有助解開宇宙間部分謎團。有助解開宇宙間部分謎團

17、。 但有人擔心，今次實驗或但有人擔心，今次實驗或 會制造小型黑洞吞噬地球，會制造小型黑洞吞噬地球， 令末日論流言四起。令末日論流言四起。 四、霍爾效應四、霍爾效應 1879 1879年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導體放在磁場中，如果磁場年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導體放在磁場中，如果磁場 方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上 出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。 四、霍爾效應四、霍爾效應 quBf 如圖，導電板高度為如圖，導電板高度為b b厚度為厚度為 d d放在垂直于它的磁場放在垂直于它的磁場B B

18、中。中。 當有電流當有電流I I通過它時，由于磁場使導體內(nèi)移動的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過它時，由于磁場使導體內(nèi)移動的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 結(jié)果在結(jié)果在 A A、A A 兩側(cè)分別聚集了正、負電荷，在導電板的兩側(cè)分別聚集了正、負電荷，在導電板的A A、A A 兩側(cè)會產(chǎn)生一個電勢差兩側(cè)會產(chǎn)生一個電勢差U U。 設導電板內(nèi)運動電荷的平均定向速率為設導電板內(nèi)運動電荷的平均定向速率為 u u，它們在磁場中受到的洛侖茲力為：，它們在磁場中受到的洛侖茲力為： 當導電板的當導電板的A A、A A 兩側(cè)產(chǎn)生電勢差后，兩側(cè)產(chǎn)生電勢差后， 運動電荷會受到電場力：運動電荷會受到電場力： q b U EqF 導電板內(nèi)電流的微觀表達式為：導電板內(nèi)電流的微觀表達式為：ubdnqnqsuI)( 由以上各式解得：由以上各式解得： d IB nq U 1 其中其中 叫叫霍爾系數(shù)霍爾系數(shù) nq K 1 例例1212、霍爾效應可解釋如下：外部磁場的洛侖茲力使運動的電子聚集在霍爾效應可解釋如下：外部磁場的洛侖茲力使運動的電子聚集在 導體板的一側(cè)，在導體板的另一側(cè)會