人教版选修二 1.4 质谱仪与回旋加速器 课件（36张PPT）
文档属性
| 名称 | 人教版选修二 1.4 质谱仪与回旋加速器 课件（36张PPT） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 11.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-11-12 09:17:26 | ||
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文档简介
(共36张PPT)
1.4质谱仪与回旋加速器
知识回顾
由：
得：
再由：
微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？
在科学研究和工业生产中，常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。
（1）先加速
U0
L
y
U d
m , q
由：
得：
（2）再偏转
由水平：
由竖直：
得：
设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？
科学探究
U0
B
m , q
电场
由：
得：
磁场
由：
得：
得：
设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？
科学探究
加速
偏转
弗朗西斯 阿斯顿
一、质谱仪
一、质谱仪
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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
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：以相同速度进入偏转磁场
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：
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
由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。
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。
一、质谱仪
在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
比荷
比荷:
质量:
例 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（ ）
A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
D
一、质谱仪
直线加速器
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”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
科学探究
产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器
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？
U
m , q
B
二、回旋加速器
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。
劳伦斯
第一台回旋加速器
原理图
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
（1）为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？
二、回旋加速器
思考与讨论
1. 变化电场
由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。
二、回旋加速器
思考与讨论
（2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。
如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。
你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？
带电粒子，在磁场中回旋半周，加速 次，需要电场变化 次方向。带电粒子加速后，速度发生变化，在磁场中回旋半径 。带电粒子在磁场中运动的周期跟速度 关，即只要每隔 个周期变化一次电场方向就能保证每次带电粒子到达盒缝间都能再次被加速。电场变化 次方向为一个完整周期，因此只要保证电场变化的周期T电 T磁 就可以实现稳定的持续的加速回旋过程。
一
一
发生变化
无
半
两
=
二、回旋加速器
思考与讨论
2.条件：
磁场周期：
电场周期：T电 T磁
=
（2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。
如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。
你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？
（3）在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？
因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过
半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。
二、回旋加速器
思考与讨论
（4）回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期
需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，
而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。
（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？
3. 带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
半径公式
得
若 D 形盒半径为R，
则带电粒子的最终动能
可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。
二、回旋加速器
思考与讨论
（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？
超导回旋加速器
这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。
美国费米实验室
目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。
例1.（多选）1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是( )
A．带电粒子由加速器的中心附近进入加速器
B．带电粒子由加速器的边缘进入加速器
C．电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转
D．离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关
ACD
例2.（多选）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3. (任务2)(多选)1930年劳伦斯制成世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( )。
A.粒子从电场中获得能量
B.粒子获得的最大速度与回旋加速器半径有关
C.粒子获得的最大速度与回旋加速器内的电场有关
D.回旋加速器中的电场和磁场交替对带电粒子做功
AB
电场对带电粒子的作用
磁场对带电粒子的作用
小 结
小 结
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
由：
得：
1.条件：
2.粒子能量：
带电粒子在匀
强磁场中的运动
v∥B
v⊥B
应用
匀速直线运动
匀速圆周运动
回旋加速器原理：
半径：
周期：
电场加速
磁场回旋
小 结
挑战练习
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
挑战练习
4．1922年英国物理学家和化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．该束带电粒子带负电
B．速度选择器的P1极板带负电
C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小
D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
C
挑战练习
5．如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。下列说法正确的是（ ）
A．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子的能量E将越大
B．磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大，
质子的能量E将越大
C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的运动时间将越长
D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的运动时间将越短
BD
6. 质量和电量都相等的带电粒子M和N,以不同的速率经小孔S垂直进入匀强磁场,运行的半圆轨迹如图中虚线所示,下列表述正确的是 ( )
A.M带负电,N带正电
B.M的速率小于N的速率
C.洛伦兹力对M、N做正功
D.M的运行时间大于N的运行时间
A
7. “人造小太阳”托卡马克装置使用强磁场约束高温等离子体,使其中的带电粒子被尽可能限制在装置内部,而不与装置器壁碰撞。已知等离子体中带电粒子的平均动能与等离子体的温度T成正比,为约束更高温度的等离子体,则需要更强的磁场,以使带电粒子在磁场中的运动半径不变。由此可判断所需的磁感应强度B正比于( )
A. B.T C. D.T2
A
8.电子自静止开始经M、N两板间（两板间的电压为U）的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中，电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为L，如图所示.求匀强磁场的磁感应强度.（已知电子的质量为m，电量为e）
【解析】电子在M、N间加速后
获得的速度为v，由动能定理
得： mv2-0=eU
电子进入磁场后做匀速圆周运
动，设其半径为r，则：
evB=m
电子在磁场中的轨迹如图，由
几何关系得：
故匀强磁场的磁感应强度为：
o
r2=(r-L)2+d2
B=
e
mU
d
L
L
2
2
2
2
+
9.如图所示，在x轴上方有匀强磁场B，一个质量为m，带电量为-q的粒子，以速度v从O点射入磁场，θ角已知，粒子重力不计，求：
（1）粒子在磁场中的运动时间.
（2）粒子离开磁场的位置.
【解题关键】找到其圆心位置，先定性地确定其大概的轨迹，然后由几何关系确定圆心角.弦长与半径的关系.此题中有一点要提醒的是：圆心一定在过O点且与速度v垂直的一条直线上.如图所示.
解析：(1)
运动轨迹对应圆心角为2 -2 ，
所以时间t=
T=
(2)离开磁场的位置与入射点的距离即为弦长
s=2rsin =
1.4质谱仪与回旋加速器
知识回顾
由：
得：
再由：
微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？
在科学研究和工业生产中，常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。
（1）先加速
U0
L
y
U d
m , q
由：
得：
（2）再偏转
由水平：
由竖直：
得：
设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？
科学探究
U0
B
m , q
电场
由：
得：
磁场
由：
得：
得：
设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？
科学探究
加速
偏转
弗朗西斯 阿斯顿
一、质谱仪
一、质谱仪
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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
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：以相同速度进入偏转磁场
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：
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
由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。
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。
一、质谱仪
在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
比荷
比荷:
质量:
例 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（ ）
A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
D
一、质谱仪
直线加速器
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”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
科学探究
产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器
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？
U
m , q
B
二、回旋加速器
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。
劳伦斯
第一台回旋加速器
原理图
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
（1）为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？
二、回旋加速器
思考与讨论
1. 变化电场
由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。
二、回旋加速器
思考与讨论
（2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。
如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。
你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？
带电粒子，在磁场中回旋半周，加速 次，需要电场变化 次方向。带电粒子加速后，速度发生变化，在磁场中回旋半径 。带电粒子在磁场中运动的周期跟速度 关，即只要每隔 个周期变化一次电场方向就能保证每次带电粒子到达盒缝间都能再次被加速。电场变化 次方向为一个完整周期，因此只要保证电场变化的周期T电 T磁 就可以实现稳定的持续的加速回旋过程。
一
一
发生变化
无
半
两
=
二、回旋加速器
思考与讨论
2.条件：
磁场周期：
电场周期：T电 T磁
=
（2）如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。
如果不是恒定的，是不是控制和实现起来会有一定的技术困难。
你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？
（3）在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？
因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过
半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。
二、回旋加速器
思考与讨论
（4）回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期
需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，
而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。
（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？
3. 带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
半径公式
得
若 D 形盒半径为R，
则带电粒子的最终动能
可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。
二、回旋加速器
思考与讨论
（5）某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？
超导回旋加速器
这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。
美国费米实验室
目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。
例1.（多选）1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是( )
A．带电粒子由加速器的中心附近进入加速器
B．带电粒子由加速器的边缘进入加速器
C．电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转
D．离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关
ACD
例2.（多选）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3. (任务2)(多选)1930年劳伦斯制成世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( )。
A.粒子从电场中获得能量
B.粒子获得的最大速度与回旋加速器半径有关
C.粒子获得的最大速度与回旋加速器内的电场有关
D.回旋加速器中的电场和磁场交替对带电粒子做功
AB
电场对带电粒子的作用
磁场对带电粒子的作用
小 结
小 结
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
由：
得：
1.条件：
2.粒子能量：
带电粒子在匀
强磁场中的运动
v∥B
v⊥B
应用
匀速直线运动
匀速圆周运动
回旋加速器原理：
半径：
周期：
电场加速
磁场回旋
小 结
挑战练习
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
挑战练习
4．1922年英国物理学家和化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．该束带电粒子带负电
B．速度选择器的P1极板带负电
C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小
D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
C
挑战练习
5．如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。下列说法正确的是（ ）
A．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子的能量E将越大
B．磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大，
质子的能量E将越大
C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的运动时间将越长
D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的运动时间将越短
BD
6. 质量和电量都相等的带电粒子M和N,以不同的速率经小孔S垂直进入匀强磁场,运行的半圆轨迹如图中虚线所示,下列表述正确的是 ( )
A.M带负电,N带正电
B.M的速率小于N的速率
C.洛伦兹力对M、N做正功
D.M的运行时间大于N的运行时间
A
7. “人造小太阳”托卡马克装置使用强磁场约束高温等离子体,使其中的带电粒子被尽可能限制在装置内部,而不与装置器壁碰撞。已知等离子体中带电粒子的平均动能与等离子体的温度T成正比,为约束更高温度的等离子体,则需要更强的磁场,以使带电粒子在磁场中的运动半径不变。由此可判断所需的磁感应强度B正比于( )
A. B.T C. D.T2
A
8.电子自静止开始经M、N两板间（两板间的电压为U）的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中，电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为L，如图所示.求匀强磁场的磁感应强度.（已知电子的质量为m，电量为e）
【解析】电子在M、N间加速后
获得的速度为v，由动能定理
得： mv2-0=eU
电子进入磁场后做匀速圆周运
动，设其半径为r，则：
evB=m
电子在磁场中的轨迹如图，由
几何关系得：
故匀强磁场的磁感应强度为：
o
r2=(r-L)2+d2
B=
e
mU
d
L
L
2
2
2
2
+
9.如图所示，在x轴上方有匀强磁场B，一个质量为m，带电量为-q的粒子，以速度v从O点射入磁场，θ角已知，粒子重力不计，求：
（1）粒子在磁场中的运动时间.
（2）粒子离开磁场的位置.
【解题关键】找到其圆心位置，先定性地确定其大概的轨迹，然后由几何关系确定圆心角.弦长与半径的关系.此题中有一点要提醒的是：圆心一定在过O点且与速度v垂直的一条直线上.如图所示.
解析：(1)
运动轨迹对应圆心角为2 -2 ，
所以时间t=
T=
(2)离开磁场的位置与入射点的距离即为弦长
s=2rsin =