1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性3

1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章安培力與洛倫茲力知識(shí)回顧：帶電粒子勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑和周期與什么因素有關(guān)？

為了便于存取，超市不同種類的豆子是分開(kāi)存放

太陽(yáng)每天都會(huì)向我們地球發(fā)射大量的帶電粒子為了了解這些粒子都是什么種類的粒子，我們也需要將這些粒子分開(kāi)來(lái)研究。新課引入新課引入

在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開(kāi)，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識(shí)，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開(kāi)電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？思考與討論：猜想一：先用加速電場(chǎng)加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強(qiáng)電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開(kāi)。U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)（類平拋運(yùn)動(dòng)）由：得：縱向：橫向：得：由粒子的軌跡方程可知，粒子的軌跡與粒子的性質(zhì)無(wú)關(guān)，無(wú)法分開(kāi)比荷不同的粒子。猜想二：先用加速電場(chǎng)加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強(qiáng)磁場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開(kāi)。（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)(勻速圓周運(yùn)動(dòng)）由：得：得：由粒子的軌道半徑表達(dá)式可知，比荷不同的帶電粒子的半徑不同，這種方法可以分開(kāi)比荷不同的粒子。U0Bm,q質(zhì)譜儀PARTONE質(zhì)譜儀

讓某種中性氣體分子在電離室A內(nèi)被電離成離子，大量的電荷量相同，質(zhì)量不同的同位素，經(jīng)同一電場(chǎng)U加速后，經(jīng)S孔進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，由于其圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，就會(huì)打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線。質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)及作用加速電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片電離室①加速電場(chǎng)：使帶電粒子獲得速度②偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離③照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑④電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子(1)先在電場(chǎng)中加速：由動(dòng)能定理得：由此可得：(2)后在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)：向心力為受的洛倫茲力提供，即所以粒子的軌道半徑為質(zhì)譜儀的原理粒子比荷不同，軌道半徑也不同，即可區(qū)分開(kāi)來(lái)。質(zhì)譜儀的作用通過(guò)質(zhì)譜儀，可以將未知粒子與已知粒子半徑對(duì)比發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素；此外，還可以通過(guò)質(zhì)譜儀計(jì)算粒子的質(zhì)量，其原理是，可以根據(jù)入射孔和底片計(jì)算出帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半徑r,則有：電離室加速電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片若粒子初速度不為零，上述結(jié)論是否還成立，如何克服這一問(wèn)題帶來(lái)的困難？質(zhì)譜儀的改進(jìn)原理圖

加速電場(chǎng)速度選擇器電離室加速電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片速度選擇器速度選擇器E，B：偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B0：觀察改進(jìn)后質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)有什么優(yōu)點(diǎn)？例1．質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量或分析同位素的重要設(shè)備，它的構(gòu)造原理如圖所示。離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束（速度可視為零），經(jīng)MN間的加速電壓U加速后從小孔S1垂直于磁感線進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)半周后到達(dá)照相底片上的P點(diǎn)。設(shè)P到S1的距離為x，則（）A．只要x相同，對(duì)應(yīng)的離子質(zhì)量一定相同B．只要x相同，對(duì)應(yīng)的離子電荷量一定相同C．若離子束是同位素，則x越大對(duì)應(yīng)的離子質(zhì)量越大D．若離子束是同位素，則x越大對(duì)應(yīng)的離子質(zhì)量越小C要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開(kāi)”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)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(kāi)”。如何產(chǎn)生極高能量的粒子？粒子加速粒子加速器可以通過(guò)什么樣的方法使粒子加速？問(wèn)題思考：

1.單級(jí)加速器·＋－Umq粒子獲得的能量：Ek=Uq缺點(diǎn):受實(shí)際能達(dá)到的電壓限制,所獲能量并不太高

直線加速器設(shè)電子進(jìn)入第n個(gè)圓筒后的速度為v，根據(jù)動(dòng)能定理有：得第n個(gè)圓筒的長(zhǎng)度為缺點(diǎn):多級(jí)直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。2.多級(jí)直線加速器能不能設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)多次加速，又減少占地空間的加速器呢？北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)202米歐洲強(qiáng)子對(duì)撞磁場(chǎng)加速器

幾公里回旋加速器PARTTWO1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級(jí)加速?；匦铀倨?932年勞倫斯研制第一臺(tái)回旋加速器的D型室.①兩個(gè)大磁極：在帶電粒子運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。②兩個(gè)D形扁平銅盒：使D形盒內(nèi)部有磁場(chǎng)沒(méi)有電場(chǎng)。使帶電粒子的圓周運(yùn)動(dòng)不受電場(chǎng)影響。③D形盒間的窄縫：使帶電粒子在這一區(qū)間被電場(chǎng)加速。④交變電場(chǎng)：交變電場(chǎng)的周期等于粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期。使帶電粒子在D形盒間的窄縫被加速?；匦铀倨鞯慕Y(jié)構(gòu)及作用接高頻電源狹縫原理圖粒子源

（1）為了保證帶電粒子每次到達(dá)D形盒縫隙間都能被加速，那D形盒縫隙的電場(chǎng)方向應(yīng)該是恒定的還是變化的呢？思考與討論

由于粒子在D型盒內(nèi)每回旋半圈，進(jìn)入盒縫間就需要加速一次，因此類似于多級(jí)直線加速器，電場(chǎng)方向應(yīng)該是變化的。回旋加速器的原理（2）如果這個(gè)變化電場(chǎng)的周期是恒定的，我們就容易控制和實(shí)現(xiàn)。如果不是恒定的，是不是控制和實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)有一定的技術(shù)困難。你認(rèn)為這個(gè)電場(chǎng)變化的周期是恒定的嗎？你分析的依據(jù)是什么呢？思考與討論磁場(chǎng)周期：電場(chǎng)周期：T電

T磁=條件：思考與討論

（3）在我們討論帶電粒子的回旋時(shí)間時(shí)，忽略了粒子在縫間的加速時(shí)間，為什么可以做這種忽略呢？因?yàn)閮蓚€(gè)D形盒的縫寬遠(yuǎn)小于盒的半徑，粒子在D形盒中經(jīng)過(guò)半周的回旋時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加速時(shí)間，因此可以忽略縫間加速時(shí)間。

（4）回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子，是否需要調(diào)整變化電場(chǎng)的周期?需要，因?yàn)閹щ娏Ｗ拥幕匦芷诟群捎嘘P(guān)，而電場(chǎng)的變化周期應(yīng)該等于帶電粒子的回旋周期。（5）某種帶電粒子在回旋加速器中被不停的持續(xù)加速后，帶電粒子的能量能無(wú)限增大嗎？這個(gè)最大能量跟加速電壓有關(guān)嗎？思考與討論帶電粒子的最終能量半徑公式得若D

形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動(dòng)能可見(jiàn)，帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無(wú)關(guān)，只與磁感應(yīng)強(qiáng)度

B

和D

形盒半徑

R

有關(guān)。當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最大，由我國(guó)最近自主研發(fā)成功的超導(dǎo)回旋加速器?；匦铀倨鞯膽?yīng)用粒子的能量會(huì)隨著回旋加速器D形盒半徑的增大而無(wú)限增大嗎？帶電粒子加速后速度增大,周期需要改變，這將帶來(lái)什么技術(shù)難關(guān)，你覺(jué)得如何改進(jìn)？改進(jìn)：回旋加速器的改進(jìn)例2.回旋加速器的工作原理如圖1所示，置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間狹縫的間距為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直，被加速粒子的質(zhì)量為m、電荷量為＋q，加在狹縫間的交變電壓如圖2所示，電壓值的大小為U0，周期T＝。一束該種粒子在t＝0時(shí)刻從A處均勻地飄入狹縫，其初速度視為零。現(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，假設(shè)能夠出射的粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫均做加速運(yùn)動(dòng)，不考慮粒子間的相互作用。求：(1)出射粒子的動(dòng)能Em；(1)粒子的速度增大軌道半徑增大，當(dāng)粒子的軌道半徑等于D形金屬盒半徑為R時(shí)，粒子的動(dòng)能最大，根據(jù)此時(shí)洛倫茲力提供向心力即可求得最大速度。

離子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)：又：(2)粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間。思路導(dǎo)引：（2）粒子運(yùn)動(dòng)存在于兩個(gè)空間，一是狹縫間電場(chǎng)力使之做勻加速運(yùn)動(dòng)，二是D形金屬盒中洛倫茲力使之做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。粒子在狹縫間的運(yùn)動(dòng)可等效成連續(xù)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)最大動(dòng)能可求得加速的時(shí)間；根據(jù)最大動(dòng)能可求得加速的次數(shù)，從而求得粒子做完整圓周運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，進(jìn)而求得