1、1.4 质谱仪与回旋加速器质谱仪与回旋加速器选择性必修第二册选择性必修第二册【学习目标】【学习目标】1 1、知道质谱仪的构造和原理；知道质谱仪的构造和原理；2 2、知道回旋加速器的构造和原理知道回旋加速器的构造和原理；3 3、会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况、会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况。【引入】【引入】冬奥来了：反兴奋剂的利器冬奥来了：反兴奋剂的利器质谱仪质谱仪小型质谱仪小型质谱仪minimini液相色谱和质谱联用装置液相色谱和质谱联用装置阿斯顿质谱仪工作原理1.1.质谱仪：质谱仪：是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具
2、。要工具。一、质谱仪2.2.结构及作用结构及作用 ：电离室：使中性气体电离，电离室：使中性气体电离，产生带电粒子产生带电粒子加速电场：使带电粒子获得速度加速电场：使带电粒子获得速度粒子速度选择器：以相同速度粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场进入偏转磁场偏转磁场：使不同带电粒子偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离偏转分离照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器新知讲解新知讲解原理图原理图加速电场速度选择器3.3.原理：原理：在偏转磁场中：在偏转磁场中：4.4.作用：作用：可测粒子的质量及比荷可测粒子的质量及比荷与已知粒子半径
3、对比可发现未知的元素和同位素与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素221mvqU BqvEq0rvmqvB2000qmUBr21【例【例1】质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源子源S产生的各种不同正离子束产生的各种不同正离子束(速度可看成为零速度可看成为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片记录它的照相底片P上，设离子在上，设离子在P上的位置到入上的位置到入口处口处S1的距离为的距离为x。(1)设离子
4、质量为设离子质量为m、电荷量为、电荷量为q、加速电压为、加速电压为U、磁感应强度大小为、磁感应强度大小为B，求，求x的大的大小。小。(2)氢的三种同位素氢的三种同位素H、H、H从离子源从离子源S出发，出发，到达照相底片的位置距入口处到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比的距离之比xH：xD：xT为多少？为多少？答案答案qmUBx22) 1 (3:2:1 )2(练习练习.(多选多选)质谱仪的构造原理如图所示质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源从粒子源S出来时的粒子出来时的粒子速度很小速度很小,可以看作初速度为零可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向
5、里的匀强磁场区域垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底并沿着半圆周运动而达到照相底片上的片上的P点点,测得测得P点到入口的距离为点到入口的距离为x,则以下说法正确的是则以下说法正确的是()A.粒子一定带正电粒子一定带正电B.粒子一定带负电粒子一定带负电C.x越大越大,则粒子的质量与则粒子的质量与电荷量之比一定越大电荷量之比一定越大D.x越大越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小则粒子的质量与电荷量之比一定越小答案：AC点拨点拨:质谱仪问题的分析技巧质谱仪问题的分析技巧分清粒子运动三阶段分清粒子运动三阶段:带电粒子在质谱仪中的带电粒子在质谱仪中的运动可分为三个阶段：粒子先被加速
6、，再通过速度选择器，最后在磁场中运动可分为三个阶段：粒子先被加速，再通过速度选择器，最后在磁场中偏转偏转(1)加速阶段应用动能定理由加速阶段应用动能定理由 得得(2)在速度选择器中应用平衡条件在速度选择器中应用平衡条件电场力和洛伦兹力平衡，粒子做匀速电场力和洛伦兹力平衡，粒子做匀速直线运动，直线运动， ，故，故(3)在偏转磁场应用洛伦兹力提供向心力的规律求解在偏转磁场应用洛伦兹力提供向心力的规律求解221mvqU mqUv2BqvEq0rvmqvB2000BEv 0二、回旋加速器1.1.加速原理：加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功，利用加速电场对带电粒子做正功，使带电粒子的动能增加使带电粒
7、子的动能增加221mvqU 2.2.多级加速器多级加速器3.3.困难：技术上不能产生过高电压，加速设备长。困难：技术上不能产生过高电压，加速设备长。二、回旋加速器医用回旋加速器中国科学家成功研制国产最紧凑型超导回旋新知讲解新知讲解接高频电源狭缝原理图原理图原理图原理图粒子源二、回旋加速器如图是回旋加速器的原理图，试思考下列问题：如图是回旋加速器的原理图，试思考下列问题：(1)磁场磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？(2)电场的作用电场的作用是什么？是什么？(3)为了保证粒子每次经过电场都被加速，为了保证粒子每次经过电场都被加速，对交对交变电压的周期有什么
8、要求？变电压的周期有什么要求？(4)带电粒子经过回旋加速器带电粒子经过回旋加速器加速后，获加速后，获得的动能由哪些因素决定？得的动能由哪些因素决定？【问题探究】【问题探究】接高频电源狭缝原理图原理图粒子源1构造：构造：两个半圆形两个半圆形 处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接属盒间接 电源，如图所示。电源，如图所示。2原理：原理：粒子源产生的带电粒子粒子源产生的带电粒子在在 被电场加速，在金属盒内被电场加速，在金属盒内做匀速圆周运动。经做匀速圆周运动。经 之后，之后，金属盒间电场反向，粒子又被加速。金属盒间电场反向，粒子又被加速。如此，粒子一次次被加速使速度
9、增加如此，粒子一次次被加速使速度增加到很大。到很大。金属盒金属盒交流交流两盒之间两盒之间半个圆周半个圆周3条件：条件：高频交流电源的周期与带电粒子在高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周形盒中的运动周期期 。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速，其轨道半。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速，其轨道半径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期 。4最大最大动能：动能：由由 和和 ，联立解得，联立解得 (R为为D形盒的半径形盒的半径)，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关。有关，与加速电压无关。
10、rvmBqv2221mvEkmRBqEk2222相同相同不变不变【例【例2】.回旋加速器是用来加速带电粒子，使它获得很大动能的仪器，回旋加速器是用来加速带电粒子，使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速，两盒放在磁感应强度为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带电
11、荷量为源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子带电荷量为q，质量为，质量为m，粒子最大回旋半径为粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示。问：，其运动轨迹如图所示。问：(1)D形盒内有无电形盒内有无电场？场？(2)粒子在盒内做何种运动？粒子在盒内做何种运动？(3)所加交流电压频率应是多大？所加交流电压频率应是多大？(4)粒粒子离开加速器时速度为多大？最大动能为多少？子离开加速器时速度为多大？最大动能为多少？(5)设两设两D形盒间电场的形盒间电场的电势差为电势差为U，盒间距离为，盒间距离为d，其间电场均匀，求把静止粒子加速到上述能量所其间电场均匀，求把静止粒子加速到上述能量所需时间。需时间。参考答案：(1)D形盒内无电场(2)匀速圆周运动mqB2) 3(mqBRm)4(UBRm2)5(2mRBqm2222【知识归纳】【知识归纳】1 1. .回旋周期回旋周期：交流电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期。交流电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期。 ，与半径、速度的大小无关，与半径、速度的大小无关2.2.粒子最终的能量：粒子最终的能量：与加速电压无关，由与加速电压无关，由D D形盒的半径形盒的半径R R。mRBqEk2222qBmT2时RrqBmvr,221mvEk
