1.4质谱仪与回旋加速器（共19张ppt）
文档属性
| 名称 | 1.4质谱仪与回旋加速器（共19张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-05-25 21:08:51 | ||
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文档简介
(共19张PPT)
第4节 质谱仪与回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
1.在如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直。具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。试证明带电粒子具有速度 时，才能沿着图示虚线路径通过这个速度选择器
做一做
2.一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上，求：
(1)求粒子进入磁场时的速率
(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径
m不同，R就不同，因此可以将电荷量相同，质量不同的粒子分开
质谱仪
Francis Wi11iam Aston (1877－1945)阿斯顿有一句名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量
阿斯顿：英国物理学家，长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖
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
原理图
加速电场
速度选择器
3.原理
在偏转磁场中：
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
在电场中加速速度为v：
经速度选择器速度为v0：
例1.如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器
内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和
匀强电场的电场强度分别为B和E。平板
S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子
位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强
度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是( )
A.质谱仪是分析同位素的重要工具
B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于
D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小
ABC
例2.如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb=vc＜vd，质量关系为ma=mb＜mc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分
别打在A1和A2两点。则射到P1板
的是____粒子，射到P2板的是
___粒子，打在A1点的是____
粒子，打在A2点的是____粒子
a
d
c
b
在粒子物理学（高能物理学）中，我们需要对粒子加速，让其去轰击其它粒子，从而撞碎粒子，以此发现粒子的内部结构，如何加速粒子呢？
思考
利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加
直线加速器
由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：
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
1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步，为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖
1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室
回旋加速器
1.磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？
2.电场的作用是什么？
3.加速后半径和周期如何变？
4.如何让粒子不断的加速？
5.交变电压的周期有什么要求？
阅读课本p17-p18，思考问题：
一个周期加速两次，电压周期等于粒子运动的周期
思考：决定粒子加速后的最大速度或最大能量由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？
R
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
~
注意：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
例3.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的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（ ）
A.增大匀强电场间的加速电压
B.减小磁场的磁感应强度
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
D
例4.回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为U0，周期T＝ 。一束该种粒子在t＝0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能
够出射的粒子每次经过狭缝均做加
速运动，不考虑粒子间的相互作用，
求：(1)出射粒子的动能Em
(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间
(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动，有
则
(2)设粒子被加速n次达到动能Em，则
解得
粒子在狭缝间的运动可等效成匀加速直线运动，设n次经过狭缝的总时间为Δt，则
所以粒子运动的总时间
粒子做圆周运动的总时间
课堂小结
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
速度选择器
第4节 质谱仪与回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
1.在如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直。具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。试证明带电粒子具有速度 时，才能沿着图示虚线路径通过这个速度选择器
做一做
2.一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上，求：
(1)求粒子进入磁场时的速率
(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径
m不同，R就不同，因此可以将电荷量相同，质量不同的粒子分开
质谱仪
Francis Wi11iam Aston (1877－1945)阿斯顿有一句名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量
阿斯顿：英国物理学家，长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖
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
原理图
加速电场
速度选择器
3.原理
在偏转磁场中：
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
在电场中加速速度为v：
经速度选择器速度为v0：
例1.如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器
内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和
匀强电场的电场强度分别为B和E。平板
S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子
位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强
度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是( )
A.质谱仪是分析同位素的重要工具
B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于
D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小
ABC
例2.如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb=vc＜vd，质量关系为ma=mb＜mc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分
别打在A1和A2两点。则射到P1板
的是____粒子，射到P2板的是
___粒子，打在A1点的是____
粒子，打在A2点的是____粒子
a
d
c
b
在粒子物理学（高能物理学）中，我们需要对粒子加速，让其去轰击其它粒子，从而撞碎粒子，以此发现粒子的内部结构，如何加速粒子呢？
思考
利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加
直线加速器
由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：
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
1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步，为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖
1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室
回旋加速器
1.磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？
2.电场的作用是什么？
3.加速后半径和周期如何变？
4.如何让粒子不断的加速？
5.交变电压的周期有什么要求？
阅读课本p17-p18，思考问题：
一个周期加速两次，电压周期等于粒子运动的周期
思考：决定粒子加速后的最大速度或最大能量由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？
R
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
~
注意：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
例3.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的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（ ）
A.增大匀强电场间的加速电压
B.减小磁场的磁感应强度
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
D
例4.回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为U0，周期T＝ 。一束该种粒子在t＝0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能
够出射的粒子每次经过狭缝均做加
速运动，不考虑粒子间的相互作用，
求：(1)出射粒子的动能Em
(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间
(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动，有
则
(2)设粒子被加速n次达到动能Em，则
解得
粒子在狭缝间的运动可等效成匀加速直线运动，设n次经过狭缝的总时间为Δt，则
所以粒子运动的总时间
粒子做圆周运动的总时间
课堂小结
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
速度选择器