1.4质谱仪与回旋加速器课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册(共22张PPT)

(共22张PPT)
第4节 质谱仪与回旋加速器
在科学研究和工业生产中，常需要将不同的带电粒子分开，以便知道其中所含物质的成分，我们已经学习了带电粒子在电场和磁场中的受力情况与运动情况，那么，能不能设计一种装置将不同的带电粒子分开呢
例题：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A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0，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
（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。
先看例题
可见半径不同意味着比荷不同，意味着它们是不同的粒子
这就是质谱仪的工作原理
解：(1)带电粒子在S1和S2之间运动，
电场力做功获得动能
一、质谱仪原理分析
1、质谱仪：是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具。
2、工作原理：将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场,由于粒子质量不同,引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类。
质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素是存在。
⑴带电粒子质量m,电荷量q,由电压U加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场,设轨道半径为r,则有：
⑵带电粒子质量m,电荷量q,以速度v穿过速度选择器(电场强度E，磁感应强度B1),垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场.设轨道半径为r,则有：
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。
二、粒子加速器
直线加速器
要了解原子核的内部情况，需要用高速粒子轰击原子核将其打开，这就需要用加速器对粒子进行加速。
如图所示是多级加速装置的原理图：
多级直线加速器
据 ，要获得速度足够快的粒子,必须有足够高的电压,但产生过高的电压在技术上很困难,于是,人们采用多级加速的方法.
多级直线加速器有什么缺点？
1932年,美国物理学家劳伦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，劳伦斯荣获了1939年诺贝尔物理学奖。
回旋加速器
回旋加速器
问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周期会增加吗
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。
交变
交变电压的周期TE = 粒子在磁场中运动的周期TB
回旋加速器
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个 电压。
根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速，提供的电压应符合怎样的要求？
D
v=？
U
B
回旋加速器
问题4：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求：从出口射出时，粒子的速度v=
解：当粒子从D形盒出口飞出时，
粒子的运动半径=D形盒的半径
D
v=？
U
B
回旋加速器
问题5：
已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求:
(1)从出口射出时，粒子的动能Ek=
(2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施
回旋加速器
问题6：D越大，EK越大，是不是只要D不断增大， EK 就可以无限制增大呢
不能！按照狭义相对论，粒子的质量随速度增大而增大，
而质量的变化会导致周期的变化，从而破坏了电场变化周期的同步。
实际上，回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25~30MeV后，就很难再加速了
美国费米实验室加速器
2.交变电场的周期和粒子的运动周期T相同----保证粒子每次经过交变电场时都被加速
1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变
回旋加速器知识总结：
3.带电粒子每经电场加速一次,回旋半径就增大一次,每次增加的动能为
4.粒子加速的最大速度由盒的直径决定
5.粒子获得的最大动能
１.关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是( )
A、电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋
B、电场和磁场同时用来加速带电粒子
C、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由加速电压决定
D、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由磁感应强度B决定和加速电压决定
A
2．如图所示为一回旋加速器，设匀强磁场的磁感应强度为B，D形金属盒的半径为R，狭缝间的距离为d，匀强电场间的加速电压为U，电荷量为q，质量为m，不计重力，要增大带电粒子射出时的动能，则下列方法中正确的是： ( )
A．增大匀强电场间的加速电压
B．减小狭缝间的距离
C．增大磁场的磁感应强度
D．增大D形金属盒的半径