1.4质谱仪与回旋加速器课件（33张PPT）

1.4 质谱仪与回旋加速器
上节课我们知道了带电粒子在匀强磁场中的运动洛伦兹力总是与粒子的运动方向垂直，只改变粒子速度的方向，不改变粒子速度的大小。且由于粒子速度的大小不变，粒子在匀强磁场中所受洛伦兹力的大小也不改变，洛伦兹力对粒子起到了向心力的作用。
带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期带电粒子运动轨迹的半径r=mv/qB；带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期T=2πm/qB。
预习教材20~23页，思考下列问题：
1. 质谱仪的基本用途、工作原理是什么？
2. 回旋加速器的基本构造、工作原理是什么？
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？
质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．其结构如图所示，容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子．经过????1和????2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线。每一条谱线对应于一定的质量．从谱线的位置可以知道圆周的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算出它的质量，这种仪器叫做质谱仪。
?
一、质谱仪
汉武帝
(1)原理图：
加速
圆周运动
粒子源
我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力。可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。利用电场让带电粒子获得一定的速度，利用磁场让粒子做圆周运动。由 r＝mvqB 可知，带电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。
?
19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设 计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同 位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十 分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
(2)加速
带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：
qU＝ 12m????2
(3)偏转
带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：
qvB=m????2????
?
（4）粒子在磁场中轨道半径：
r=1????2????????????
(5)质谱仪的应用：
可以测定带电粒子的质量和分析同位素.
?
选择速度：
v＝E????0
r＝mvqB
r＝ E????0???? ? mq
?
粒子源发出粒子初速度略有不同，可以增加速度选择器
加速
选择速度
圆周运动
粒子源
电场中直线型加速器——多级加速
A
B
C
D
E
F
怎样多级加速呢？
电源
例1.如图是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片。平板S下方有磁感应强度为的匀强磁场。下列表述正确的是(　　)
A．质谱仪是分析同位素的重要工具
B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小
ABC
解析：质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具，A对。速度选择器中电场力与洛伦兹力是一对平衡力，即qvB＝qE，故v＝E /B。据左手定则可以确定，速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外，B、C对。粒子在匀强磁场中运动的半径r＝mv /qB ，即粒子的荷质比q/m＝v/Br，由此看出粒子运动的半径越小，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越大，D错。
故选：ABC。
如下图所示，设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，已知一粒子在重力、电场力和洛伦兹力作用下，从静止开始自A点沿曲线ACB运动，到达B点时速度为零，C点是运动的最低点，以下说法正确的是 (　　)
A．这粒子必带正电荷
B．A点和B点在同一高度
C．粒子在C点时速度最大
D．粒子到达B点后，将沿曲线返回A点
变式训练：
ABC
解析：根据粒子弯曲方向，可知受洛伦兹力方向必沿弯曲方向，判断出粒子必带正电．而粒子在A、B两点时速度都为零，在运动过程中洛伦兹力不做功，这样重力功和电场力功应均为零．即A、B点在同一高度；粒子到达最低点C点，电场力功和重力功最大，速度达到最大，而粒子到B点后将沿同样路径向右偏转。
答案　ABC
质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力。可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。利用电场让带电粒子获得一定的速度，利用磁场让粒子做圆周运动。由 r＝mvqB 可知，带电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。
?
技法点拨：
1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器是利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在较小的范围内来获得高能粒子的装置。
二、回旋加速器
(1)构造图：如图
粒子m、q
回旋加速器的核心部件是:两个D形盒（半圆金属盒）
(2)原理：
1、粒子第一次经加速电场加速后进入磁场，转半周后，再进入D形盒狭缝之间的加速电场此时电场方向已经与第一次加速时反向,粒子进行第二次加速，而后重复上述运动。
2、粒子每在磁场中转半周，就在电场中加速一次，直到轨道半径 达到D形盒半径为止，粒子被加速到最大速度。
3、加速电场是周期性变化的，必须由周期性变化的交流电源提供
R0
(3)周期问题
粒子圆周运动周期T＝ ?????????????????????，速度增大但是周期不变加速电场的周期与粒子的运动周期必须相同，
才能实现同步加速，交流电压的频率f=1????则
T粒子=T交流 f粒子=f?交流
?
T
2T
3T
0
(4)最大动能（速度）问题当粒子轨道半径最大，即r=????0时，粒子加速后的动能最大Ek?=????2????2????022????
?
R0
求回旋加速器的应用题应注意以下两点：
(1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正常工作。
(2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关。
例2.用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的4倍，原则上可以采用下列哪几种方法(　　)
A．将其磁感应强度增大为原来的2倍
B．将其磁感应强度增大为原来的4倍
C．将D形盒的半径增大为原来的2倍
D．将D形盒的半径增大为原来的4倍
AC
解析：由半径r＝mvqB?
故动能 Ek?=????2????2????022????
所以将其磁感应强度增大为原来的2倍，将D形盒的半径增大为原来的4倍
故选：AC
?
在竖直放置的光滑绝缘环中，套有一个带负电－q，质量为m的小环，整个装置放在如图所示的正交电磁场中，电场强度E＝????????????，当小环从大环顶端无初速下滑时，在滑过什么弧度时，所受洛伦兹力最大(　　)
A.π/4
B.π/2
C.3π/4
D.π
?
变式训练：
C
解析:小圆环c从大圆环顶点下滑过程中，重力和电 场力对小圆环做功，当速度与重力和电场力的合力垂直时，外力做功最多 ，即速度最大，如下图所示，可知C选项正确。
故选：C。
(1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正常工作。
(2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关。
技法点拨：
一、质谱仪
质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。
二、回旋加速器
回旋加速器的核心部件是:两个D形盒(半圆金属盒）
粒子第一次经加速电场加速后进入磁场，转半周后，再进入D形盒狭缝之间的加速电场此时电场方向已经与第一次加速时反向,粒子进行第二次加速，而后重复上述运动。
再见