质谱仪与回旋加速器++高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册.pptxVIP

第一章安培力与洛伦兹力4.质谱仪与回旋加速器选择性必修第二册

在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？问题

分开比荷不同的带电粒子的方案猜想一：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏转（类平抛运动）由：?得：?横向：??纵向：得：?由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。

猜想二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：（1）先加速（2）再偏转(匀速圆周运动）由：得：得：由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。??U0Bm,q???分开比荷不同的带电粒子的方案

1、质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。2、结构及作用：①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子②加速电场：使带电粒子获得速度③粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器一、质谱仪

???????加速电场速度选择器3、原理：4、作用：①可测粒子的质量及比荷②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素加速电场U1：速度选择器E，B：???偏转磁场B0：m不同，r就不同?一、质谱仪

练习与应用1、质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重力)，经加速后该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求：（1）粒子射出加速器时的速度v为多少？（2）速度选择器的电压U2为多少？（3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？

要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。

1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。思考如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？

1、回旋加速器：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的装置。2、结构及作用：①两个大磁极：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。②两个D形扁平铜盒：使D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒子的圆周运动不受电场影响。③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。二、回旋加速器

3、原理：带电粒子在D形盒中运行的周期：（1）加速条件每过电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。?电场的变化周期要等于粒子的运动周期：?二、回旋加速器?

3、原理：（2）粒子最大动能：（离开半径与D形盒半径相同）??对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。?二、回旋加速器

3、原理：（3）回旋加速器不可无限加速。?粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。改进：二、回旋加速器

练习与应用2、回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示，问：(1)盒中有无电场？(2)粒子在盒内做何种运动？(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间．(不计粒子在电场中运动的时间)