1.4 质谱仪与回旋加速器 课件(共21张PPT)

(共21张PPT)
质谱仪与回旋加速器
郭雪鹏
临泉一中
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氢元素有三种同位素：H、D、T.相对丰度分别为约99.9844%、约0.0156%、低于0.001%，
英国化学家索迪1910年提出“同位素”概念. 元素可能包含多种同位素，每种含量不同.
实验发现，很多元素的相对原子质量不是整数.这一现象曾引起科学家的困惑.
实验测得的原子质量是多种同位素的平均质量.
问题：同位素带电量相同，质量不同.如何将混合物中的不同核素区分开来？
一、质谱仪
英国化学家阿斯顿长期从事同位素和质
Francis W. Aston 1877-1945
英国化学家
基于对同位素的研究，阿斯 顿提出元素质量的整数法则，开创了质谱学.
阿斯顿被授予1922年诺贝尔化学奖.
谱的研究.1919年，阿斯顿制成 聚焦性能较高的的质谱仪，对许 多元素的同位素及其丰度进行了 测量,肯定了同位素存在的普遍性.
问题1：电场的作用是什么？如何计算电荷离开电场时的速度？
问题2：在磁场中轨迹是什么形状？
打到底片位置与进入磁场位置 距离是多少？
问题3：质谱仪将电荷量 相同、质量不同粒子区分 开的原理是什么？
B
U
S1
S2
A
S3
带电粒子初速为零，由动能定理
在磁场中，洛伦兹力作为向心力
代入速度表达式，
B
U
S1
S2
A
S3
间距D 仅由质量决定.
质量不同的粒子打在照相
底片上的位置不同,从而 将粒子区分开来.
根据照相底片测量得到直径，可计算出粒子的比荷.
B
U
S1
S2
A
S3
课堂练习1
“练习与应用”第1题
A、B是两种同位素的原子核，具有相同的电荷、不同的质量.为测定它们的质量比，使它们从质谱仪的同一加速电场由静止开始加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入同一匀强磁场，打到照相底片上。从底片上获知A、B在磁场中运动轨迹的直径之比是1.08：1，求A、B的质量之比。
分析：设电荷质量为m、电荷量为q.加速电压为U，磁场为B.
二、回旋加速器
加速器是核物理、高能物理研究的重要工具。通过粒子与原子核的碰撞，分析碰撞后的实验结果，研究原子核的结构。
经过几十年的发展，已经研制出加速各种带电粒子、形式多样（如直线、圆型、环型、室温、超导等）、规模不等(大到周长几十公里)的实验装置。加速器对基础研究做出了巨大贡献，多次获得诺贝尔物理学奖。
加速器对带电粒子加速，其基本原理是利用电场对带电粒子做功，提高带电粒子的能量，
加速电压越大，带电粒子获得速度越大.
1932年，柯克罗夫特和沃尔顿首先建造成世界第一台直流加速器；美国科学家范德格拉夫发明了一种产生高压方法的高压加速器，能将粒子加速到10MeV.
直线共振加速器原理示意图
奇数管和偶数管分别接交流电源的两极.粒子在两漂移管之间被电场加速，在漂移管内做匀速直线运动.随着粒子运动速度增大，漂移管长度增加，加速器长度较长。
回旋加速器原理图
-
+
v1
F
v2
+
-
F
回旋加速器原理
~
粒子运动轨迹
在D型盒之间加交变电压，粒子在两D型盒之间被加速(加速运动时间忽略不计).
加速一次，动能增加，
在D型盒内，粒子轨迹为半圆周，t=T/2.粒子再次进入D型盒间隙，让电场刚好反向，粒子再次被加速。
t
u
U
-u
T
2T
带电粒子在磁场做圆周运动周期为，
与运动速率无关.随着带电粒子加速，速率增大，半圆周弧长逐渐增大，但运动半圆周时间始终不变。只要交变电压周期与带电粒子运动周期相同，粒子进入D型盒间隙时将始终被加速.
思考与讨论：带电粒子离开D型盒，如何求带电粒子获得的最大速度？
vm
R
D型盒半径为R，洛伦兹力作为向心力.
最大速度为
加速次数为N=Ek/(uq)，u为电压值.
最大动能
劳伦斯(1901-1958)
美国物理学家
获1939年诺贝尔物理学奖
劳伦斯(右)和利芬斯顿站在由他们设计的27英寸的回旋加速器旁(1934年)
课堂小结
质谱仪 1.电场加速 2.磁场偏转，半圆周.半径与比荷有关.
回旋加速器 1.交变电压周期与粒子运动周期相同 2.最大速度由D型盒半径决定.