1.4 质谱仪与回旋加速器 课件 高中物理选择性必修二（人教版2019）(共40张PPT)

(共40张PPT)
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第一章　安培力与洛伦兹力
质谱仪与回旋加速器
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掌握回旋加速器的工作原理及其应用.
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掌握质谱仪的工作原理及其应用.
重点
重难点
质谱仪
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，以便知道其所含物质的成分。利用现在所学的知识，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？
电场能否实现？
U0
m ， q
（1）先加速
（2）再偏转
由轨迹方程可知，带电粒子的轨迹与粒子的比荷无关，显然这种方法不可以，既然电场分不开那么磁场呢？
U
B
m ， q
（1）电场先加速
（2）磁场偏转
qU
阿斯顿
质谱仪是用来分离同位素、检测它们的原子质量的仪器。
质谱仪
质谱仪的结构及工作原理
同位素的电荷量相同，但质量有微小差别。由关系式可知，m不同，x就会不同，即在照相底片上会打到不同的位置，出现一系列不同的谱线。由此可以用该仪器对某种元素进行测量。
电场加速：
磁场偏转：
x=2r
x =
=
1.质谱仪是一种测量带电粒子质量和分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示.离子源S产生的各种不同正离子束(速度可视为零)，经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点.设P到S1的距离为x，则
A.只要x相同，对应的离子质量一定相同
B.只要x相同，对应的离子电荷量一定相同
C.若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大
D.若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小
√
进入磁场，由洛伦兹力提供向心力得：
P到S1的距离为x＝2r
由④知，只要x相同，对应的离子比荷一定相同，由于电荷量与质量不能确定，故A、B错误；
①
②
③
④
由④知，若离子束是同位素，则q相同，x越大则对应的离子质量越大，故C正确，D错误.
2.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b的比荷
C.若a、b电荷量相等，则它们的质量之比
ma∶mb＝x12∶x22
D.若a、b质量相等，则在磁场中运动时间之比ta∶tb＝x1∶x2
√
粒子在磁场中运动时，由洛伦兹力提供向心力可知qvB＝ mv2，解得r＝ ，半径大小还与速度和比荷有关，故A错误；
两电荷在磁场中运动的半径之比为：ra∶rb＝x1∶x2.根据r＝ ，
若a、b电荷量相等，它们的质量之比ma∶mb＝x12∶x22，故C正确；
运动时间为t＝ ，则a、b在磁场中运动时间之比ta∶tb＝x12∶x22，故D错误.
3.如图所示为质谱仪的示意图，速度选择器部分的匀强电场的电场强度为E＝1.2×105 V/m，匀强磁场的磁感应强度为B1＝0.6 T；偏转分离器的磁感应强度为B2＝0.8 T.求：(已知质子质量为1.67×10－27 kg，元电荷e＝1.60×10－19 C)
(1)能通过速度选择器的粒子的速度大小；
答案　2×105 m/s
能通过速度选择器的粒子所受静电力和洛伦兹力大小相等、方向相反，有eB1v＝eE
(2)质子和氘核以相同速度进入偏转分离器后打在照相底片上的条纹之间的距离d.
答案　5.2×10－3 m
粒子进入磁场B2后做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，
设质子质量为m，则氘核质量为2m，
回旋加速器
在粒子物理学的研究中，经常需要用高能量的粒子作为“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？
m
直线加速器
斯坦福大学加速器
北京正负电子对撞机
2.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？
构造过于庞大，占地大造价过高
1.你能发现直线加速器的缺点吗？
可利用磁场使得质子流回到电场中，在电场中实现多次加速的目的。
回旋加速器
1.回旋加速器的构造
①粒子源；②两个中空D形盒；③匀强磁场；④交流电源；⑤粒子引出装置.
2.回旋加速器的工作原理
利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子.
1.对交流电源的周期有什么要求？一个周期内加速几次？(带电粒子在电场中加速时间极短)
思考与讨论
答案　交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期，一个周期内加速两次.
2.假如粒子通过盒缝的时间可以忽略，控制两盒间电势差的正负变换是比较容易的.但是粒子的运动越来越快，也许粒子走过半圆的时间越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题.实际情况是这样吗？为什么？
答案　不是，因为每次加速后，速度增大，半径增大，但粒子在半个D形盒中的偏转时间不变，故电场的周期恒定，T电＝T磁＝
3.带电粒子在回旋加速器中持续加速后获得的最大动能由哪些因素决定？
答案　当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，即rm＝ ，可得：
Ekm＝ ，所以要提高带电粒子获得的最大动能，应尽可能增大磁感
应强度B和D形盒的半径rm.
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。
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。
4.(多选)如图所示为回旋加速器的原理示意图.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
√
√
回旋加速器的工作条件是交变电场的周期(或频率)与粒子做圆周运动的周期(或频率)相同，而粒子做匀速
圆周运动的周期T＝ ，加速电源用周期T＝ 的交流电源，故A、B错误；
5.(课本第20页第4题改编)回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax.求：
(1)所加交流电源频率；
粒子在电场中运动时间极短，因此所加交流电源频率要符合粒子回旋频率，粒子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，
(2)粒子离开加速器时的最大动能；
(3)粒子被加速次数；
设粒子被加速次数为n
(4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a，粒子在电场中加速的总时间.
一、质谱仪
由：
得：
二、回旋加速器
1.条件：
2.粒子能量：
=