1.4 质谱仪与回旋加速器课件（共21张PPT）高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册
文档属性
| 名称 | 1.4 质谱仪与回旋加速器课件（共21张PPT）高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2023-11-06 19:52:23 | ||
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文档简介
(共21张PPT)
质谱仪与
回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
人教版 选择性必修第二册
我们知道，电场和磁场都可以对运动的带电粒子施加力的作用，因此可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B、v相同，m不同，则r不同，这样就可以把不同的粒子分开。以便进一步分析其中所含物质的成分。
本节课我们来认识两种分析物质成分经常用到的仪器：质谱仪和回旋加速器。
质谱仪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。
质谱仪
质谱仪主要由以下几部分组成：
① 带电粒子注入器
② 加速电场 ( U )
③ 速度选择器 ( B1、E )
④ 偏转磁场 ( B2)
⑤ 照相底片
质谱仪的构造
一、质谱仪的工作原理
1、质谱仪分析同位素
r
一、质谱仪的工作原理
1、质谱仪分析同位素
电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U0加速后，经S3孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线（叫作质谱线）。
例如：氕、氘、氚三种同位素（q相同，m不同）
2、质谱仪测粒子的比荷、质量
①测比荷：
r
（只需知道U0、r和B，即可求出比荷）
②测质量：
D
思考：在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
1932 年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次加速。
劳伦斯
第一台回旋加速器
能不能设计一种既能实现多次加速，又能减少占地空间的加速器呢？
如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间就会大大缩小。而磁场正好能使带电粒子“转圈圈”，于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器。
认识回旋加速器
回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，使其恰好改变正负，于是粒子经过盒缝时再一次被加速。如此，粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝，而两盒间的电势差一次一次地改变正负，粒子的速度就能够增加到很大。
二、回旋加速器的工作原理
1、回旋加速器的结构及原理
①两个D形盒区域加匀强磁场，实现对带电粒子的偏转（回转）；
②两个D形盒之间狭缝区域加交变电场，实现对带电粒子的加速。
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期：
当磁场恒定不变时，对一定的带电粒子来说，这个周期是不变的，尽管粒子的速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。
想一想：考虑到带电粒子每次在D形盒中转半圈的时间都一样，那么两盒之间电势差的正负应当如何变换呢？
接高频
电源
狭缝
粒子源
思考：两个D形盒之间缝隙的电场方向应该如何变换呢？
如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。
电场的周期：
想一想：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？
想一想：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
二、回旋加速器的工作原理
2、粒子在磁场区域的运动周期和交变电场的周期
接高频
电源
狭缝
粒子源
①粒子做匀速圆周运动的周期：
粒子在每个D形盒中运动的时间：
②加速电场的周期：
接高频
电源
狭缝
粒子源
思考：带电粒子在回旋加速器中加速，最终能达到多大的速度呢？这个最大速度与加速电压的大小有关系吗？
粒子每次被加速后，速度v 增加，
由 ，可知：
粒子在D形盒中运动的半径r越来越大。
因D形盒的体积有限，当轨迹半径r达到D形盒最大半径R时，需要把粒子从D形盒引出，此时，粒子速度达到最大。
可见：粒子能获得的最大速度与加速电压大小无关。
想一想：加速电压的大小会影响什么呢
思考：带电粒子被加速的次数与加速电压的大小之间有什么关系呢？
加速电压越大，每次速度增量越大，半径r增加得越快，加速次数越少。
加速电压越小，每次速度增量越小，半径r增加得越慢，加速次数越多。
每次加速，动能的增加量都相等，速度增量会越来越小，半径增加得越来越慢，越往外轨迹越密集。
思考：增大D形的半径R，粒子能获得的最大速度就增大，那么是不是只要不断增大D形盒的半径，就可以使粒子速度无限制增大呢？
回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，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。
思考：增大D形的半径R，粒子能获得的最大速度就增大，那么是不是只要不断增大D形盒的半径，就可以使粒子速度无限制增大呢？
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。
二、回旋加速器的工作原理
3、粒子的最大速度和最大动能
①粒子的最大速度：
（粒子的最大速度与加速电压无关）
②粒子的最大动能：
（D形盒最大半径R）
③加速电压的大小只影响加速的次数，不影响最终速度。
加速电压大，每次速度增量大，半径r增加得快，加速次数越少。
加速电压小，每次速度增量小，半径r增加得慢，加速次数越多。
例.（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.（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
质谱仪与
回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
人教版 选择性必修第二册
我们知道，电场和磁场都可以对运动的带电粒子施加力的作用，因此可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B、v相同，m不同，则r不同，这样就可以把不同的粒子分开。以便进一步分析其中所含物质的成分。
本节课我们来认识两种分析物质成分经常用到的仪器：质谱仪和回旋加速器。
质谱仪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。
质谱仪
质谱仪主要由以下几部分组成：
① 带电粒子注入器
② 加速电场 ( U )
③ 速度选择器 ( B1、E )
④ 偏转磁场 ( B2)
⑤ 照相底片
质谱仪的构造
一、质谱仪的工作原理
1、质谱仪分析同位素
r
一、质谱仪的工作原理
1、质谱仪分析同位素
电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U0加速后，经S3孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线（叫作质谱线）。
例如：氕、氘、氚三种同位素（q相同，m不同）
2、质谱仪测粒子的比荷、质量
①测比荷：
r
（只需知道U0、r和B，即可求出比荷）
②测质量：
D
思考：在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
1932 年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次加速。
劳伦斯
第一台回旋加速器
能不能设计一种既能实现多次加速，又能减少占地空间的加速器呢？
如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间就会大大缩小。而磁场正好能使带电粒子“转圈圈”，于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器。
认识回旋加速器
回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，使其恰好改变正负，于是粒子经过盒缝时再一次被加速。如此，粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝，而两盒间的电势差一次一次地改变正负，粒子的速度就能够增加到很大。
二、回旋加速器的工作原理
1、回旋加速器的结构及原理
①两个D形盒区域加匀强磁场，实现对带电粒子的偏转（回转）；
②两个D形盒之间狭缝区域加交变电场，实现对带电粒子的加速。
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期：
当磁场恒定不变时，对一定的带电粒子来说，这个周期是不变的，尽管粒子的速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。
想一想：考虑到带电粒子每次在D形盒中转半圈的时间都一样，那么两盒之间电势差的正负应当如何变换呢？
接高频
电源
狭缝
粒子源
思考：两个D形盒之间缝隙的电场方向应该如何变换呢？
如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。
电场的周期：
想一想：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？
想一想：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
二、回旋加速器的工作原理
2、粒子在磁场区域的运动周期和交变电场的周期
接高频
电源
狭缝
粒子源
①粒子做匀速圆周运动的周期：
粒子在每个D形盒中运动的时间：
②加速电场的周期：
接高频
电源
狭缝
粒子源
思考：带电粒子在回旋加速器中加速，最终能达到多大的速度呢？这个最大速度与加速电压的大小有关系吗？
粒子每次被加速后，速度v 增加，
由 ，可知：
粒子在D形盒中运动的半径r越来越大。
因D形盒的体积有限，当轨迹半径r达到D形盒最大半径R时，需要把粒子从D形盒引出，此时，粒子速度达到最大。
可见：粒子能获得的最大速度与加速电压大小无关。
想一想：加速电压的大小会影响什么呢
思考：带电粒子被加速的次数与加速电压的大小之间有什么关系呢？
加速电压越大，每次速度增量越大，半径r增加得越快，加速次数越少。
加速电压越小，每次速度增量越小，半径r增加得越慢，加速次数越多。
每次加速，动能的增加量都相等，速度增量会越来越小，半径增加得越来越慢，越往外轨迹越密集。
思考：增大D形的半径R，粒子能获得的最大速度就增大，那么是不是只要不断增大D形盒的半径，就可以使粒子速度无限制增大呢？
回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，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。
思考：增大D形的半径R，粒子能获得的最大速度就增大，那么是不是只要不断增大D形盒的半径，就可以使粒子速度无限制增大呢？
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。
二、回旋加速器的工作原理
3、粒子的最大速度和最大动能
①粒子的最大速度：
（粒子的最大速度与加速电压无关）
②粒子的最大动能：
（D形盒最大半径R）
③加速电压的大小只影响加速的次数，不影响最终速度。
加速电压大，每次速度增量大，半径r增加得快，加速次数越少。
加速电压小，每次速度增量小，半径r增加得慢，加速次数越多。
例.（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.（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