选择性必修二第一章安培力与洛仑磁力：第4节质谱仪和回旋加速器 课件（21张PPT）
文档属性
| 名称 | 选择性必修二第一章安培力与洛仑磁力：第4节质谱仪和回旋加速器 课件（21张PPT） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-03-03 12:41:48 | ||
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文档简介
(共21张PPT)
1.4 质谱仪与回旋加速器
课题引入
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一，是我国第一台高能加速器，也是我国高能物理研究的重大科技基础设施．它由长202m的直线加速器、输运线、周长240m的圆形加速器(也称储存环)、高6m质量为500t的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成．
你知道北京正负电子对撞机中重要部件——圆形加速器的工作原理吗？它为什么需要设计得那么巨大？
一、质谱仪
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，你能设计一个方案吗？
一、质谱仪
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：
U0
L
y
U d
m , q
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
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。
一、质谱仪
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）
U0
B
m , q
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。
一、质谱仪
英国化学家阿斯顿长期从事同位素和质谱的研究.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.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.
质谱仪是用来分离同位素、检测它们的原子质量的仪器。
Francis W. Aston
1877-1945
英国化学家
一、质谱仪
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？
一、质谱仪
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
间距D 由粒子比荷决定。根据照相底片测量得到直径，可计算出粒子的比荷。
如果所有粒子电荷量相同、质量不同（同位素），则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。
一、质谱仪
【例题1】 质谱仪原理图如图所示，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的电场强度为E，方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直于MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计．求：
一、质谱仪
(1) 粒子从加速电场射出时速度v的大小；
(2) 粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向；
(3) 偏转磁场的磁感应强度B2的大小．
解析 (1) 在加速电场中，
(2) 粒子在速度选择器中受到向右的电场力qE，应与洛伦兹力qvB1平衡，故磁感应强度B1的方向应该垂直于纸面向外．
(3) 粒子在磁场B2中的轨道半径r=0.5L
在科学研究和工业生产中，除了要把粒子分开，常常还需要高能粒子。例如，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。
加速器
1. 直线加速器
加速器
1.1 高压加速
1.2 多级加速
直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
二、回旋加速器
此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.
1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.
中国第一台回旋加速器
二、回旋加速器
1、回旋加速器的构造：
①粒子源；
②两个D形盒；
③匀强磁场；
④高频电源；
⑤粒子引出装置。
二、回旋加速器
2、原理：
回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。
思考：
（1）粒子在盒内做何种运动？
（2）所加交流电源的频率多大？
（3）粒子加速后获得的最大动能是多大？
~
二、回旋加速器
2、原理：
2.1 运动描述：带电粒子被狭缝间的电场加速，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，再被狭缝间的电场加速，加速后的带电粒子进入另一D形盒．
2.2 持续加速的条件：每经过 ，电场方向改变一次，以保证带电粒子始终被加速。即电场的变化周期等于粒子的运动周期。
2.3 粒子最大动能（离开半径与D型盒最大半径相同）：
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。
2.4 运动总时间：
二、回旋加速器
3、局限性：
回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25-30Mev后，很难被加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的速度接近光速c时，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回旋周期T的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
二、回旋加速器
【例题2】回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示．要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是( )
A．增大匀强电场间的加速电压
B．增大磁场的磁感应强度
C．减小周期性变化的电场的频率
D．增大D形金属盒的半径
BD
小结：
一. 质谱仪
由：
得：
二. 回旋加速器
1.条件：
2.粒子最大动能：
谢谢
1.4 质谱仪与回旋加速器
课题引入
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一，是我国第一台高能加速器，也是我国高能物理研究的重大科技基础设施．它由长202m的直线加速器、输运线、周长240m的圆形加速器(也称储存环)、高6m质量为500t的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成．
你知道北京正负电子对撞机中重要部件——圆形加速器的工作原理吗？它为什么需要设计得那么巨大？
一、质谱仪
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，你能设计一个方案吗？
一、质谱仪
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：
U0
L
y
U d
m , q
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
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。
一、质谱仪
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）
U0
B
m , q
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。
一、质谱仪
英国化学家阿斯顿长期从事同位素和质谱的研究.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.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.
质谱仪是用来分离同位素、检测它们的原子质量的仪器。
Francis W. Aston
1877-1945
英国化学家
一、质谱仪
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？
一、质谱仪
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
间距D 由粒子比荷决定。根据照相底片测量得到直径，可计算出粒子的比荷。
如果所有粒子电荷量相同、质量不同（同位素），则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。
一、质谱仪
【例题1】 质谱仪原理图如图所示，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的电场强度为E，方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直于MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计．求：
一、质谱仪
(1) 粒子从加速电场射出时速度v的大小；
(2) 粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向；
(3) 偏转磁场的磁感应强度B2的大小．
解析 (1) 在加速电场中，
(2) 粒子在速度选择器中受到向右的电场力qE，应与洛伦兹力qvB1平衡，故磁感应强度B1的方向应该垂直于纸面向外．
(3) 粒子在磁场B2中的轨道半径r=0.5L
在科学研究和工业生产中，除了要把粒子分开，常常还需要高能粒子。例如，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。
加速器
1. 直线加速器
加速器
1.1 高压加速
1.2 多级加速
直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
二、回旋加速器
此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.
1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.
中国第一台回旋加速器
二、回旋加速器
1、回旋加速器的构造：
①粒子源；
②两个D形盒；
③匀强磁场；
④高频电源；
⑤粒子引出装置。
二、回旋加速器
2、原理：
回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。
思考：
（1）粒子在盒内做何种运动？
（2）所加交流电源的频率多大？
（3）粒子加速后获得的最大动能是多大？
~
二、回旋加速器
2、原理：
2.1 运动描述：带电粒子被狭缝间的电场加速，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，再被狭缝间的电场加速，加速后的带电粒子进入另一D形盒．
2.2 持续加速的条件：每经过 ，电场方向改变一次，以保证带电粒子始终被加速。即电场的变化周期等于粒子的运动周期。
2.3 粒子最大动能（离开半径与D型盒最大半径相同）：
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。
2.4 运动总时间：
二、回旋加速器
3、局限性：
回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25-30Mev后，很难被加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的速度接近光速c时，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回旋周期T的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
二、回旋加速器
【例题2】回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示．要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是( )
A．增大匀强电场间的加速电压
B．增大磁场的磁感应强度
C．减小周期性变化的电场的频率
D．增大D形金属盒的半径
BD
小结：
一. 质谱仪
由：
得：
二. 回旋加速器
1.条件：
2.粒子最大动能：
谢谢