1.4 质谱仪与回旋加速器 课件（17张PPT）

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4 质谱仪与回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
学习目标
1. 知道质谱仪、回旋加速器的结构及工作原理；
2. 掌握粒子在磁场中运动的半径和粒子的比荷；
3.了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。
问题
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？
一、质谱仪
定义：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。
组成：由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成，运动过程如图所示。
工作原理：
(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即
(2) 在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE，即
粒子才能通过速度选择器。
(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。
例1：1922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，则下列相关说法中正确的是(　　)
A．该束粒子带负电
B．速度选择器的P1极板带正电
C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小
BD
例2：质谱仪的构造原理如图所示，从粒子源S出来时的粒子速度很小，可以看作初速度为零，粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域，并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点，测得P点到入口的距离为x，则以下说法正确的是(　　)
A. 粒子一定带正电
B. 粒子一定带负电
C. x越大，则粒子的质量与电荷量之比一定越大
D. x越大，则粒子的质量与电荷量之比一定越小
AC
二、回旋加速器
加速器是对物理粒子进行加速，从而对其他粒子实现高速撞击后借以研究物质内部结构的设备。1932 年美国物理学家劳伦斯发明了世界上第一台回旋加速器，上第一台回旋加速器。这种加速器既可用于核物理实验，也可用于早期的粒子物理实验，他因此单独获得了1939年的诺贝尔物理学奖。
回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强磁场中，如图所示。
工作原理：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，这些过程在回旋加速器的核心部件 —— 两个 D 形盒和其间的窄缝内完成。
①电场的作用
回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。
②磁场作用
带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动半个周期后平行电场方向进入电场加速。
③交变电压的作用
为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
由于技术条件的限制，两极电压不可能无限提高，因此常常采用多级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动，加速装置要很长很长，占有的空间范围很大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
说明：
1. 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。
2. 因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。
3. 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25 ~ 30MeV后。就很难加速了，原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
例3：如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是(　　 )
A．它们的最大速度相同
B．它们的最大动能相同
C．它们在D形盒中运动的周期相同
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
AC
例4：如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置，其核心部分是两个D形金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。下列说法正确的有(　　)
A. 粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B. 粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C. 高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定
D. 粒子从磁场中获得能量
AC