人教版（2019）选修第二册 1.4 质谱仪与回旋加速器 课件(共31张PPT)

(共31张PPT)
第一章 安培力与洛伦兹力
1.4 质谱仪与回旋加速器
　　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
1.质谱仪的基本结构
离子源
加速电场U
偏转磁场B
照相底片
2.质谱仪的工作原理
①在电场中加速
②在偏转磁场中，洛伦兹力提供向心力
联立两个式子得：
③在偏转磁场中，偏转的距离为x
x
x=2r
④由上式可得粒子的质量和比荷
质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的2倍，电荷量与质子相同）、氚（质量约为质子的3倍，电荷量与质子相同），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是（　　）
A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚
D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚
A
质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组成，虚线AD上方区域存在垂直纸面向外的匀强磁场。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C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（　　）
A．两个离子均为负离子
B．a离子质量比b离子质量小
C．a、b离子在磁场中的运动时间相等
D．若增大加速电场的电压U，则两离子在偏转
磁场中运动的半径都变大
BD
如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的A点飘出（在A点初速度为零），经电压U加速后，从x轴坐标原点处进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（　　）
A．b进入磁场的速度一定大于a进入磁场的速度
B．a的比荷一定小于的b比荷
C．若a、b电荷量相等，则它们的
质量之比
D．若a、b质量相等，则在磁场中
运动时间之比
C
1．加速原理： qU= Ek．
2．直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：
(一)、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：
二、回旋加速器
有的长达几十千米，坐落在两个城市之间……
了解劳伦斯
劳伦斯(Ernest Orlando Rawrence)是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者，1901年8月8日出生于美国达科他州南部的坎顿，是一个教书世家，其祖父及父母都是教师，他年仅30岁就闻名于全世界。1930年，劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理，劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939年获诺贝尔物理学奖。1940年，劳伦斯成为麻省理工学院内的另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人，有八人获诺贝尔奖的殊荣，其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者，另外四人则是以别的方式同“辐射实验室”有联系的。
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.
2.回旋加速器
①基本结构
粒子源
接交流电源
金属盒内部的电场为零
D形盒
②工作原理
正电
A0
v0
A/2
v1
A1
A/1
A2
v2
粒子就会不断的加速
a、粒子源发出粒子
b、在磁场中做半个周期的匀速圆周运动
c、在电场中加速
①带电粒子在D形盒中运行的周期：
（1）加速条件
②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。
③电场的周期 粒子在磁场圆运动的周期
与速度无关，故周期始终不变。
等于
粒子半径多大时飞出D形盒？
D形盒半径为R
r=R
最大速度
最大动能
（2）粒子最大动能：
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能与？有关，
与？无关。
由B 、 D形盒半径R 决定
与加速度电压的大小无关
这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场于运动不在同步，也就没办法加速了。
（3）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。
改进：
所以加速次数：
所以加速总时间：
如已知加速电压为U，忽略在电场中运动时间，求加速的次数和加速的总时间。
解：每次加速得到的动能
EK=qU
由于圆周运动的周期：
真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子m、＋q，加在狭缝间的交变电压U0，周期T＝ 。t＝0时刻初速度视为零从A处进入电场。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；
离子在磁场中做匀速圆周运动：
(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间。
（2）粒子运动存在于两个空间，一是狭缝间电场力使之做匀加速运动，二是D形金属盒中洛伦兹力使之做匀速圆周运动。粒子在狭缝间的运动可等效成连续的匀加速直线运动，根据最大动能可求得加速的时间；根据最大动能可求得加速的次数，从而求得粒子做完整圆周运动的次数，进而求得粒子圆周运动的时间。
所以粒子运动的总时间：
设粒子被加速n次达到动能Em
则Em＝nqU0，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
粒子做圆周运动的总时间
则：
又：
即：
1.在磁场中做圆周运动,周期不变
2.每一个周期加速两次
3.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
4.电场一个周期中方向变化两次
5.粒子加速的最大速度由盒的半径决定（BR共同决定，与电压无关）
6.电场加速过程中,时间极短,一般可忽略（电压决定加速次数）
4.回旋加速器的特点总结
——同步加速器
法国东南部格勒诺布尔
我国首台超导回旋加速器
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
如图为回旋加速器的示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知D形盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q，已知质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（　　）
A．粒子由加速器的边缘进入加速器
B．质子的最大速度不超过2πRf
C．质子的最大动能与U无关
D．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速
BC
为回旋加速器的原理图.其中D1和D2是两个中空的半径为R的半圆形金属盒，接在电压为U的加速电源上，位于D2圆心处的粒子源A能不断释放出一种带电粒子（初速度可以忽略，重力不计），粒子在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。已知粒子电荷量为q、质量为m，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化，下列说法正确的是（　　）
A．加速电源可以用直流电源，也可以用任意频率的交流电源
B．加速交流电源的周期为
C．粒子第一次进入D1盒与第一次进入盒D2的半径之比为1:2
D．粒子在电场中加速的次数为
BD
6．如图所示，回旋加速器由两个铜质半圆D形金属盒D1、D2构成，其间留有缝隙，缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，盒的圆心附近置有粒子源，若粒子源射出的粒子带电荷量为q（q>0），质量为m，粒子最大回旋半径为R，下列说法正确的是（　　）
A．回旋加速器的磁场方向一定做周期性变化
B．粒子被加速后的最大速度随加速电压增大而增大
C．交流电压的周期
D．粒子飞出加速器的动能为
CD
课堂小结
1.质谱仪
①在电场中加速
②在偏转磁场中，洛伦兹力提供向心力
③在偏转磁场中，偏转的距离为
x=2r
④由上式可得粒子的质量和比荷
2.多级直线加速器
①加速原理：在电场中加速，qU = ΔEk。
②缺点：占有的空间范围大
两场周期相等 （ 频率相等）
当粒子做圆周运动的半径与D形盒半径R相同时：
r=R
最大速度
最大动能
加速次数
加速总时间
（忽略电场运动时间）
3.回旋加速器 加速条件 最大速度 加速次数 加速时间