1、 质谱仪与回旋加速器质谱仪与回旋加速器44氢元素有三种同位素：H、D、T.相对丰度分别为约99.9844%、约0.0156%、低于0.001%，英国化学家索迪1910年提出“同位素”概念. 元素可能包含多种同位素，每种含量不同.实验发现，很多元素的相对原子质量不是整数.这一现象曾引起科学家的困惑.实验测得的原子质量是多种同位素的平均质量.问题：同位素带电量相同，质量不同.如何将混合物中的不同核素区分开来？一、质谱仪 英国化学家阿斯顿长期从事同位素和质Francis W. Aston1877-1945英国化学家英国化学家基于对同位素的研究，阿斯顿提出元素质量的整数法则，开创了质谱学.阿斯顿被授予
2、1922年诺贝尔化学奖.谱的研究.1919年，阿斯顿制成聚焦性能较高的的质谱仪，对许多元素的同位素及其丰度进行了测量,肯定了同位素存在的普遍性.问题1：电场的作用是什么？如何计算电荷离开电场时的速度？问题2：在磁场中轨迹是什么形状？打到底片位置与进入磁场位置距离是多少？问题3：质谱仪将电荷量相同、质量不同粒子区分开的原理是什么？BUS1S2AS3带电粒子初速为零，由动能定理在磁场中，洛伦兹力作为向心力代入速度表达式，BUS1S2AS3212Uqmv2Uqmv2mq BrvvmrqBv12mUrBq间距D 仅由质量决定.质量不同的粒子打在照相底片上的位置不同,从而将粒子区分开来.根据照相底片测量
3、得到直径，可计算出粒子的比荷.222mUDrBqBUS1S2AS3课堂练习1“练习与应用”第1题A、B是两种同位素的原子核，具有相同的电荷、不同的质量.为测定它们的质量比，使它们从质谱仪的同一加速电场由静止开始加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入同一匀强磁场，打到照相底片上。从底片上获知A、B在磁场中运动轨迹的直径之比是1.08：1，求A、B的质量之比。分析：设电荷质量为m、电荷量为q.加速电压为U，磁场为B.212Uqmv2mq Brvv2Dr22mUDBq2228D B qmDU2221.081.1664:11AABBmDmD二、回旋加速器加速器是核物理、高能物理研究的重要工具。通过粒子与原
4、子核的碰撞，分析碰撞后的实验结果，研究原子核的结构。经过几十年的发展，已经研制出加速各种带电粒子、形式多样（如直线、圆型、环型、室温、超导等）、规模不等(大到周长几十公里)的实验装置。加速器对基础研究做出了巨大贡献，多次获得诺贝尔物理学奖。加速器对带电粒子加速，其基本原理是利用电场对带电粒子做功，提高带电粒子的能量，加速电压越大，带电粒子获得速度越大.1932年，柯克罗夫特和沃尔顿首先建造成世界第一台直流加速器；美国科学家范德格拉夫发明了一种产生高压方法的高压加速器，能将粒子加速到10MeV.212Uqmv直线共振加速器原理示意图奇数管和偶数管分别接交流电源的两极.粒子在两漂移管之间被电场加速
5、，在漂移管内做匀速直线运动.随着粒子运动速度增大，漂移管长度增加，加速器长度较长。回旋加速器原理图-+v1Fv2+-F回旋加速器原理 粒子运动轨迹在D型盒之间加交变电压，粒子在两D型盒之间被加速(加速运动时间忽略不计). 加速一次，动能增加，在D型盒内，粒子轨迹为半圆周，t=T/2.粒子再次进入D型盒间隙，让电场刚好反向，粒子再次被加速。tuU-uT2TkEuq带电粒子在磁场做圆周运动周期为，与运动速率无关.随着带电粒子加速，速率增大，半圆周弧长逐渐增大，但运动半圆周时间始终不变。只要交变电压周期与带电粒子运动周期相同，粒子进入D型盒间隙时将始终被加速.2mTqB思考与讨论：带电粒子离开D型盒，如何求带电粒子获得的最大速度？vmRD型盒半径为R，洛伦兹力作为向心力.最大速度为加速次数为N=Ek/(uq)，u为电压值.2mmmqBRvvmqBRmv2222km122q B REmmv最大动能劳伦斯(1901-1958)美国物理学家获1939年诺贝尔物理学奖劳伦斯(右)和利芬斯顿站在由他们设计的27英寸的回旋加速器旁(1934年)课堂小结o 质谱仪1.电场加速2.磁场偏转，半圆周.半径与比荷有关.o 回旋加速器1.交变电压周期与粒子运动周期相同2.最大速度由D型盒半径决定.2mmmqBRvv2222km122q B REmmv
