質(zhì)譜儀與回旋加速器課件-高二下學期物理人教版選擇性

第一章安培力與洛倫茲力第4節(jié)

質(zhì)譜儀與回旋加速器

知識回顧帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的軌道半徑和周期怎樣計算？洛倫茲力提供向心力

問題探究提示：氕、氘、氚這三種帶電粒子的電荷量相同、質(zhì)量不同，即它們的比荷不同。方案設(shè)計:可使這三種帶電粒子在電場或磁場中運動，若它們在電場

或磁場中的運動軌跡不同，就能將其分開。

帶電粒子在加速電場中沿同一條直線運動，自然無法將其分開；猜想一:嘗試用勻強電場使其分離

問題探究①.用電場加速

若使帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)（類平拋運動）呢？（偏轉(zhuǎn)前需要初速度，即可以嘗試使粒子在電場中先加速后偏轉(zhuǎn)，看其運動軌跡是否相同）猜想一:嘗試用勻強電場使其分離

問題探究②.用電場先加速再偏轉(zhuǎn)粒子的軌跡與粒子的比荷無關(guān)，無法將它們分開猜想二:嘗試用勻強磁場使其分離

問題探究磁場只能使運動電荷偏轉(zhuǎn)，故需要對粒子先用電場加速后再進入偏轉(zhuǎn)磁場。

比荷不同的帶電粒子的半徑不同，

此法可以把比荷不同的粒子分開。

研究中讓大量q相同，m不同的帶電粒子從電離室A的小孔

s1“飄”加速電場被加速后，再經(jīng)s3孔進入勻強磁場做圓周運動，最后打在照相底片D上。由于其圓周運動的軌道半徑不同，打在照相底片D的位置也就不同?？茖W研究中常用此來分析同位素和測量帶電粒子質(zhì)量。一、質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀:利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。一、質(zhì)譜儀2.

結(jié)構(gòu)及作用:①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離④照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片一、質(zhì)譜儀3.工作原理:加速時：

若粒子比荷不同，做圓周運動的半徑不同，因此打到的位置就不同。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:①可測粒子的質(zhì)量及比荷;②與已知粒子半徑對比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素。偏轉(zhuǎn)時：氕、氘、氚氕、氘、氚氕、氘、氚D.a、b、c三條“質(zhì)譜線”依次排列的順序是氕、氘、氚例1.

如圖所示為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用質(zhì)譜儀對氫元素進行測量。讓氫的三種同位素的離子流從容器A下方的小孔S無初速度飄入電勢差為U的加速電場，加速后垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中、氫的三種同位素分別為

，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。則下列判斷正確的是（

A

）

要認識原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。（思考:使帶電粒子加速，用電場還是磁場？）

問題探究用電壓為U的電場加速：v與U有關(guān)，而技術(shù)上不能產(chǎn)生過高的電壓。用電壓直線多級加速：缺點：裝置過長，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。斯坦福直線加速器有沒有什么辦法改進？

二、回旋加速器

二、回旋加速器1.構(gòu)造:主要由兩半圓金屬盒D1、D2

構(gòu)成，D形盒的縫隙處接交流電源，D形盒處在勻強磁場中。兩D形盒中有勻強磁場沒有電場，其作用是使帶電粒子回旋（做圓周運動）；盒間縫隙有電場，其作用是使帶電粒子加速。

要使帶電粒子每次經(jīng)過縫隙時都被加速，帶電粒子偏轉(zhuǎn)半周時電場方向要改變一次，即帶電粒子運動一周時間內(nèi)電場方向變化兩次（一個周期）。2.加速條件:電場的變化周期要等于粒子的運動周期3.

粒子獲得的最大動能:（離開半徑與D形盒半徑相同）

對某種粒子q、m一定，粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強度B和回旋加速器的半徑R決定，與加速度電壓的大小無關(guān)。

二、回旋加速器

二、回旋加速器4.回旋加速器的局限性——不可無限加速改進：①.在磁場中做圓周運動，周期不變②.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同④.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⑥.電場加速過程中,時間極短,可忽略

二、回旋加速器5.

回旋加速器的特點例2.如圖為回旋加速器示意圖，兩個靠得很近的D形金屬盒處在與盒面垂直的勻強磁場中，磁場的磁感應(yīng)強度為B，已知D形盒的半徑為R，高頻交變電源的電壓為U、頻率為f，質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q，已知質(zhì)子在磁場中運動的周期等于交變電源的周期，下列說法正確的是（BC