高中物理-選擇性必修2-第一章-4-質(zhì)譜儀與回旋加速器

高中物理選擇性必修第二冊

人教版4質(zhì)譜儀與回旋加速器1.了解質(zhì)譜儀的構(gòu)造及工作原理。2.了解直線多級加速器和回旋加速器的構(gòu)造及工作原理。3.通過質(zhì)譜儀和回旋加速器的學(xué)習(xí),提高綜合運用力學(xué)知識和電學(xué)知識的能力。1.原理圖:如圖所示。

2.加速:帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的加速電場,由動能定理得①

qU

=

mv2。3.偏轉(zhuǎn):帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的偏轉(zhuǎn)磁場做勻速圓周運動,洛倫茲力提供向心力:②

qvB

=

。1|質(zhì)譜儀4.結(jié)論:r=③

。測出粒子的軌跡半徑r,可算出粒子的質(zhì)量m或比荷

。5.應(yīng)用:可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析④

同位素

。知識拓展由于從容器A下方小孔進(jìn)入加速電場的帶電粒子實際上有一定的初速

度,會使直接進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場的帶電粒子速度不同,從而帶來測量誤差。為使進(jìn)入偏

轉(zhuǎn)磁場的帶電粒子速度更唯一,測量更準(zhǔn)確,現(xiàn)在的質(zhì)譜儀在S2與S3之間增加了速

度選擇器。在速度選擇器中,帶電粒子在電場力和洛倫茲力的作用下平衡,做勻速直線運動,有

qE=qvB1,則v=

。1.構(gòu)造圖:如圖所示。

2.核心部件:兩個金屬⑤

D形盒

。3.原理:高頻交流電源的周期與帶電粒子在D形盒中的運動周期⑥

相同

,粒子每

經(jīng)過一次加速,其軌道半徑就大一些,粒子做圓周運動的周期⑦

不變

。4.最大動能:由qvB=

和Ek=

mv2得Ek=

(R為D形盒的半徑),即粒子在回旋加速器中獲得的最大動能與q、m、B、R有關(guān),與加速電壓無關(guān)。2|回旋加速器導(dǎo)師點睛

磁場、電場的作用(1)磁場的作用:帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時,只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動,其中周期與速率和半徑無關(guān),使帶電粒子每次進(jìn)入D形盒

中都能運動相等時間(半個周期)后,平行于電場方向進(jìn)入電場中加速。(2)電場的作用:回旋加速器的兩個D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化并垂直

于兩D形盒正對截面的勻強(qiáng)電場,帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速,速度變大。1.質(zhì)譜儀是一種精密儀器,是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。

(√)2.從粒子打在質(zhì)譜儀底片上的位置可以測出半圓周軌跡的半徑,進(jìn)而可以算出粒子

的比荷或算出粒子的質(zhì)量。

(√)3.回旋加速器的加速電壓越高,帶電粒子獲得的最終動能越大。

(

?)4.回旋加速器的加速條件是:帶電粒子在磁場中的運動周期等于加速電壓的周

期。

(√)5.隨著粒子速度的增加,回旋加速器兩盒間縫隙處電勢差的正負(fù)改變應(yīng)該越來越

快,以便能使粒子在縫隙處剛好被加速。

(

?)判斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“?”。1|質(zhì)譜儀情境

質(zhì)譜儀又稱質(zhì)譜計,是分離和檢測不同同位素的儀器。根據(jù)帶電粒子在磁

場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理,質(zhì)譜儀按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異將它們進(jìn)

行分離或檢測物質(zhì)組成。質(zhì)譜儀按應(yīng)用范圍分為同位素質(zhì)譜儀、無機(jī)質(zhì)譜儀和有

機(jī)質(zhì)譜儀;按分辨本領(lǐng)分為高分辨、中分辨和低分辨質(zhì)譜儀;按工作原理分為靜態(tài)

儀器和動態(tài)儀器。問題1.能否根據(jù)你所學(xué)的電磁學(xué)知識簡略敘述質(zhì)譜儀的工作原理?提示:電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子,它們進(jìn)入磁場后將以不同的半徑做圓

周運動,打到底片的不同地方,在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條,稱為質(zhì)譜線,每一條

質(zhì)譜線對應(yīng)一定的粒子質(zhì)量,從質(zhì)譜線的位置可以知道圓周的半徑r,再根據(jù)r進(jìn)行

計算與分析。2.已知偏轉(zhuǎn)磁場中粒子運動的軌道半徑r=

(其中U是已知的加速電壓),若磁感應(yīng)強(qiáng)度B確定,測出r,那么我們可以得到什么?提示:粒子的比荷。3.若磁場確定,我們控制進(jìn)入的粒子具有相同的電荷量,測出r,我們可以得到有關(guān)粒

子的什么信息?提示:質(zhì)量。質(zhì)譜儀的工作原理質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。現(xiàn)以下圖為例說明其結(jié)

構(gòu)和工作原理。

(1)容器A中含有大量電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的帶電粒子,從下方小孔S1

飄出時,這些帶電粒子的初速度可認(rèn)為都為零。

(2)對某個質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子進(jìn)行分析:經(jīng)過S1和S2之間電勢差

為U的電場加速后,由qU=

mv2可求得其從S2射出時的速度為v=

。該粒子進(jìn)入磁場后,在洛倫茲力作用下做圓周運動。由qvB=

可求得其軌跡半徑r=

,將v=

代入可得r=

=

。(3)由r的表達(dá)式可知,電荷量相同而質(zhì)量不同的帶電粒子將沿不同軌跡做圓周

運動,經(jīng)過半個圓周打在照相底片D上的不同位置,質(zhì)量越大的帶電粒子軌跡半徑

越大,質(zhì)量越小的軌跡半徑越小。a.如果已知q、U、B2,又測出其半徑r,可求得帶電粒子的質(zhì)量m=

,或求得其比荷

=

。b.對質(zhì)量有微小差別的同位素,因q相同、m不同,也可區(qū)別、分離出來。在底片上

形成的若干譜線狀的細(xì)條,稱為質(zhì)譜線。2|回旋加速器情境

北京正負(fù)電子對撞機(jī)是世界八大高能加速器中心之一,是我國第一臺高能

加速器,也是高能物理研究的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。它由長202米的直線加速器、輸

運線、周長240米的圓形加速器(也稱儲存環(huán))、高6米重500噸的北京譜儀和圍繞

儲存環(huán)的同步輻射實驗裝置等幾部分組成,外形像一只碩大的羽毛球拍。如圖所

示,正、負(fù)離子由靜止經(jīng)過電壓為U的直線加速器加速后,沿圓環(huán)切線方向注入對

撞機(jī)的真空環(huán)狀空腔內(nèi),空腔內(nèi)存在著與圓環(huán)平面垂直的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大

小為B。兩種帶電粒子將被局限在環(huán)狀空腔內(nèi),沿相反方向做半徑相等的勻速圓周

運動,從而在碰撞區(qū)迎面相撞。問題1.直線加速器中如何使粒子獲得加速?提示:利用加速電場對帶電粒子做正功,使帶電粒子的動能增加,即qU=ΔEk。2.直線加速器的弊端是什么?提示: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。3.為維持帶電粒子在環(huán)狀空腔中的勻速圓周運動,對于給定的加速電壓,帶電粒子

的比荷

越大,磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)越小還是越大?提示:越小。對于給定的加速電壓,帶電粒子的速度v=

不變,要保持軌道半徑r=

不變,則帶電粒子的比荷

越大,B應(yīng)越小。4.若維持帶電粒子在環(huán)狀空腔中的勻速圓周運動,對于給定的帶電粒子,加速電壓U

越大,粒子運動的周期越小還是越大?提示:越小。對于給定的帶電粒子,加速電壓U越大,粒子獲得的速度v=

越大,要保持軌道半徑r=

不變,B應(yīng)增大,則T=

會越小。交變電壓的周期帶電粒子做勻速圓周運動的周期T=

,與速率、軌跡半徑均無關(guān),運動相等的時間(半個周期)后進(jìn)入電場,為了保證帶電粒子每次經(jīng)過狹縫時都被加速,須在狹縫

兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的交變電壓,所以交變電壓的周期也

與粒子的速率、軌跡半徑無關(guān),由帶電粒子的比荷和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度決定。帶電粒子的最終能量由r=

知,當(dāng)帶電粒子的運動半徑最大時,其速度也最大,若D形盒半徑為R,則帶電粒子的最終動能Ekm=

,與加速電壓無關(guān)。粒子被加速次數(shù)的計算粒子在回旋加速器中被加