第4节　质谱仪与回旋加速器 教学设计.doc

第4节质谱仪与回旋加速器

[学习目标]

1．了解质谱仪的工作原理。

2．了解回旋加速器的工作原理。

知识点1质谱仪

1．原理图：如图所示。

2．加速

带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得qU＝eq\f(1,2)mv2①。

3．偏转

带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力qvB＝eq\f(mv2,r)②。

4．由①②两式可以求出粒子的运动半径r、质量m、比荷eq\f(q,m)等。其中由r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))可知电荷量相同时，半径将随质量变化。

5．质谱仪的应用

可以测定带电粒子的质量和分析同位素。

[判一判]

1．(1)质谱仪只能区分电荷量不同的粒子。()

(2)质谱仪是测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。()

提示：(1)×(2)√

知识点2回旋加速器

1．回旋加速器的结构

两个中空的半圆金属盒D1和D2，处于与盒面垂直的匀强磁场中，D1和D2间有一定的电势差，如图所示。

2．回旋加速器原理：带电粒子在D形盒中只受洛伦兹力的作用而做匀速圆周运动，运动半周后带电粒子到达D形盒狭缝，并被狭缝间的电场加速，加速后的带电粒子进入另一D形盒，由粒子在洛伦兹力作用下做圆周运动的半径公式r＝eq\f(mv,Bq)知，它运动的半径将增大，由周期公式T＝eq\f(2πm,qB)可知，其运动周期与速度无关，即它运动的周期不变，它运动半个周期后又到达狭缝再次被加速，如此继续下去，带电粒子不断地被加速。

[判一判]

2．(1)回旋加速器的半径越大，带电粒子获得的最大动能就越大。()

(2)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速带电粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。()

(3)带电粒子做匀速圆周运动的半径与带电粒子进入磁场时速度的大小有关，而周期与速度、半径都无关。()

提示：(1)√(2)√(3)√

1．(质谱仪)1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖。若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法正确的是()

A．该束带电粒子带负电

B．速度选择器的P1极板带负电

C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷eq\f(q,m)越小

D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大

解析：选C。带电粒子在B2磁场中向下偏转，磁场的方向垂直于纸面向外，根据左手定则知，该束带电粒子带正电，A错误；在平行金属板间，根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，B错误；进入B2磁场中的粒子速度是一定的，根据qvB＝meq\f(v2,r)得r＝eq\f(mv,qB)，知r越大，比荷eq\f(q,m)越小，而质量m不一定大，C正确，D错误。

2．(回旋加速器)一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半径为R，垂直于D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别与交流电源相连。下列说法正确的是()

A．质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大

B．质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大

C．质子被加速后的最大速度与B、R无关

D．不需要改变任何量，这个装置也能用于加速氦核(eq\o\al(4,2)He)

解析：选A。由r＝eq\f(mv,qB)知，当r＝R时，质子有最大速度vm＝eq\f(qBR,m)，即B、R越大，vm越大，vm与加速电压无关，A正确，B、C错误；由上面周期公式知氦核(eq\o\al(4,2)He)与质子做圆周运动的周期不同，故此装置不能用于加速度氦核(eq\o\al(4,2)He)，D错误。

3．(速度选择器)(多选)如图所示，在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，匀强磁场的方向垂直于纸面向里，匀强电场的方向竖直向下，有一正离子恰能以速率v沿直线从左向右水平飞越此区域，则()

A．若电子以速率v从右向左飞入，电子也沿直线运动

B．若电子以速率v从右向左飞入，电子将向上偏转

C．若电子以速率v从右向左飞入，电子将向下偏转

D．若电子以速率v从左向右飞入，电子也沿直线运动

解析：选BD。正离子从左边进入叠加场，在叠加场中受到向下的电场力和向上的洛伦兹力作用，因恰能沿直线从右边水平飞出，可知电场力和洛伦兹力平衡，有qE＝qvB，得v＝eq\f(E,B)。若粒子带负电，也从左边以速率v射入，电场力和洛伦兹力的方向仍相反，还是有v＝eq\f(E,B)，所以带电粒子只要以速率v从左边水平进入复合场，粒子就会沿水平方向射出，与电性和电荷量无关，D正确；电子从右侧进入叠加场，受到的电场力方向向上，由左