物理人教版（2019）选择性必修第二册1.4 质谱仪与回旋加速器（共35张ppt）

(共35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
质谱仪
第一部分
五颜六色的弹珠大家小时候都玩过
有没有什么方法能把大弹珠和小弹珠快速分开？
大弹珠、小弹珠质量不同
只需要设定一个装置
让大小弹珠的运动情况不一样就可以分开了
思考：我们如何知道物质是由哪些粒子组成的？
不同的粒子有不同的质量和带电量
那怎么将粒子束中的粒子分开呢？
我们可以根据磁场或电场中的粒子的偏转情况不同
筛选出不同种类的粒子
质谱仪
质谱仪是一种产生离子并根据比荷(q/m)分离离子的仪器。
1.粒子在加速电场的加速
U0
由动能定理：
得：
质谱仪的原理
B
m , q
2.在磁场偏转
由：
得：
得：
质谱仪的原理
由式子
可看出
如果磁感应强度B，加速电压U0不变
则：半径r和带电粒子的比荷有关
所以质谱仪能区分
比荷不同的粒子
质谱仪的原理
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
电离室
质谱仪的结构
②加速电场：使带电粒子获得速度
加速电场
质谱仪的结构
这块还可以搭配前面学习的速度选择器
选择我们实验需要的速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
偏转磁场
质谱仪的结构
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
照相底片
质谱仪的结构
质谱线
质谱线：质量相同的粒子打在同一线
质谱仪的作用
可测粒子的质量及比荷
01
与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
02
练习1. (多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则(　　)
A．a离子质量比b的大B．a离子质量比b的小C．a离子在磁场中的运动时间比b的短D．a、b离子在磁场中的运动时间相等
BC
（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？
练习2：同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：
3个
（2）这些速度的大小关系为？
v1（3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间的大小关系是？
t1=t2=t3
时间与速度无关
t=
练习3质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图。离子源S产生的各种不同正离子束(速度可视为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断(　　)
A．若离子束是同位素，则x越小，离子质量越大B．若离子束是同位素，则x越小，离子质量越小C．只要x相同，则离子质量一定相同D．x越大，则离子的比荷一定越大
B
回旋加速器
第二部分
爱因斯坦：物体不可能超过光速
为了接近光速，科学家们做了很多努力
促使了粒子加速器的诞生
多级直线加速器
加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加
想要加到接近光速，直线加速器太长了。
不实际
回旋加速器是一种使离子加速的圆形加速器。欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）于1932年发明。
回旋加速器
因为回旋加速器荣获诺贝尔奖
回旋加速器的原理
如图所示，D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子将在磁场中做匀速圆周运动，经半个圆周(半个周期)后，再次到达两盒间的缝隙，控制两盒间电势差，使其恰好改变正负，于是粒子在盒缝间再次被加速，如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大。
回旋加速器的原理
注意：在磁场中的运动时间和速度无关
回旋加速器的原理
周期粒子每经过一次加速，其轨道半径就增大一些，但粒子绕圆周运动的周期不变。
交变电压周期性变化即可
回旋加速器的原理
最大动能的计算
qvB=mv2/r
EK=mv2/2
由
可得
提炼：其他条件一定时，加速器半径越大，最大动能越大
二、回旋加速器
交变电源的周期应该与粒子圆周运动一样
注意：粒子只在缝隙里加速
练习1(多选)如图是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电压，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，则下列说法正确的是(　　)
A．粒子在D形盒中的运动周期与两盒间交变电压的周期相同B．回旋加速器是靠电场加速的，因此其最大能量与电压有关C．回旋加速器是靠磁场加速的，因为其最大能量与电压无关D．粒子在回旋加速器中运动的总时间与电压有关
AD
练习2 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．粒子可以在回旋加速器中一直被加速D．粒子从磁场中获得能量
A
练习3如图所示，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源两极相连接的两个D形盒，两盒间构成一狭缝，两D形盒处于垂直于盒面的匀强磁场中。下列有关回旋加速器的描述正确的是(　　)
A．粒子由加速器的边缘进入加速器B．粒子由加速器的中心附近进入加速器C．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速D．交流电源的周期必须等于粒子在D形盒中运动周期的2倍
B
练习4(多选)如图所示是医用回旋加速器的示意图，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()和氦核()。下列说法中正确的是(　　)
A．氘核()的最大速度较大B．它们在D形盒内运动的周期相等C．氦核()的最大动能较大D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
BC
Thank you