1.4质谱仪与回旋加速器ppt课件-（2019） 新人教版高中物理高二下学期选择性必修二 (3).pptx

1、第一章第一章 安培力与洛伦兹力安培力与洛伦兹力1.4 1.4 质谱仪与回旋加速质谱仪与回旋加速器器l1 1、了解质谱仪和回旋加速器的结构和工作原理，构建物理模了解质谱仪和回旋加速器的结构和工作原理，构建物理模型，解决实际问题。型，解决实际问题。l2 2、进一步掌握带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动，并能、进一步掌握带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动，并能解决确定圆心、半径、运动轨迹、周期等相关问题。解决确定圆心、半径、运动轨迹、周期等相关问题。l3 3、经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方、经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。法。 在科学研究和工业生产中，在科学

2、研究和工业生产中，常需要将一束常需要将一束带电量相同、质量不带电量相同、质量不同同的粒子分开，以便知道其中所含的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。物质的成分。设计实验方案：如何分开设计实验方案：如何分开电荷量相同、质量不同电荷量相同、质量不同的带电粒子？的带电粒子？带电粒子的相关知识：带电粒子的相关知识：U0m , qv2012qUmvmvrqB22rmTvqB加速加速偏转偏转F洛洛+q m 氕、氘、氚三种正离子氕、氘、氚三种正离子以以相相同的速度垂直磁场同的速度垂直磁场边界，边界，射入匀射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，强磁场中，其运动轨迹如图所示，你能分析出你能分析出1 1、2 2、

3、3 3 三条轨三条轨迹是哪种离子形成的吗？迹是哪种离子形成的吗？mvrqB设计实验方案：如何分开设计实验方案：如何分开电荷量相同、质量不同电荷量相同、质量不同的带电粒子？的带电粒子？U0Bm , q阿斯顿阿斯顿 质谱仪是用来质谱仪是用来分离分离同位素、检测它们的同位素、检测它们的原子质量原子质量的仪器。的仪器。 一、质谱仪一、质谱仪qmUBr21质谱仪的结构及工作原理质谱仪的结构及工作原理由上式可知同位素电荷量相同，但质量有微小差别。那由上式可知同位素电荷量相同，但质量有微小差别。那x就会不同，也就就会不同，也就是说在照相底片上会打到不同的位置是说在照相底片上会打到不同的位置。一、质谱仪一、质

4、谱仪221mvqU电场加速：电场加速：rmvqvB2磁场偏转磁场偏转：例例1、现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定质子在入口处从静止开始被加速如图所示，其中加速电压恒定质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强

5、度增加到原来的12倍此离子和质子的质量比约为倍此离子和质子的质量比约为()A11B12C121 D144D 在粒子物理学的研究中，经常需要在粒子物理学的研究中，经常需要用高能量的粒子作为用高能量的粒子作为“炮弹炮弹”去轰击未知原子，以便去轰击未知原子，以便“打开打开”其内部结构。那如何其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？才能获得需要的高能粒子呢？ 能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的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？加速器呢？电场电场加速加速磁场磁场偏转偏转获得高能粒子获得高能粒子二、回旋加速器二、回旋加速器1 1、回旋加速器的回旋加速器的构造：构造：粒

6、子源；粒子源；两个两个D D形盒；形盒；匀强磁场；匀强磁场；高频电源；高频电源；粒子引出装置。粒子引出装置。说明：说明：两两D D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有电场形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有电场二、回旋加速器二、回旋加速器2 2、回旋加速器的工作原理、回旋加速器的工作原理利用电场对带电粒子的利用电场对带电粒子的加速作用加速作用和磁场对运动电荷的和磁场对运动电荷的偏转作用偏转作用来来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件 两个两个 D D 形盒和其间的窄缝内完成。形盒和其间的窄缝内完成。回旋加速器 讨论讨论1：为了保证带电粒子每次到达

7、为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？场方向应该是恒定的还是变化的呢？回旋加速器 讨论讨论2 2：你认为这个：你认为这个电场电场变化变化的周期的周期是恒定的吗？你是恒定的吗？你分析的分析的依据依据是什么呢是什么呢？ 1. 1. 变化电场：变化电场： 2. 2.条件：条件： 2 mTTqB电磁回旋加速器 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？ 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?回旋加速器 讨论讨论3 3：某种带电粒子在回旋某种带电

8、粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？U每次每次vr次数少次数少t短短U每次每次vr次数多次数多t长长 1. 1. 变化电场变化电场 2. 2.条件：条件： 2 mTTqB电磁回旋加速器3. 3.粒子射出粒子射出D D形盒时最大速率形盒时最大速率：RvmBqvmm2mqBRvm（vm与与B、R有有关，而与关，而与加速电压加速电压U无关无关）mRBqmvEmkm2212222 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，粒这个过程看似可以一直

9、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子的质量会随着速度增大而增大大而增大，圆周运动的周期也增加，圆周运动的周期也增加大大，这样电场，这样电场与与运动不运动不再再同步，也就没办法加速了。同步，也就没办法加速了。ABA质子被加速后的最大速度不可能超过质子被加速后的最大速度不可能超过2fRB质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关C只要只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值足够大，质子的速度可以被加速到任意值D不改变不改变B和和f，该回旋加速器也能用于加速，该回旋加速器也能用于加速粒子粒子例例2、(多选多选)回旋加速器是加

10、速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示设图所示设D形盒半径为形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为为B，高频交流电频率为，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是，则下列说法正确的是( ）(1)Ek=qU；（2） （3）f=mRBqmvEmkm2212222小 结 一. 质谱仪 二. 回旋加速器由：12mUrBq得： 1.条件： 2 mTTqB电磁 2.粒子能量：mRBqmvEmkm2212222