1、第4节 质谱仪与回旋加速器 第一章 安培力与洛伦兹力1.在如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直。具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。试证明带电粒子具有速度 时，才能沿着图示虚线路径通过这个速度选择器BEv 洛库提示：FF2.一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上，求：(1)求粒子进入磁场时的速率(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径 02112mvqUmqUv
2、2 RvmqvB22qUmBR21m不同，R就不同，因此可以将电荷量相同，质量不同的粒子分开Francis Wi11iam Aston (18771945)阿斯顿有一句名阿斯顿有一句名言言:“要做更多的仪要做更多的仪器器,还要更多地测量还要更多地测量阿斯顿：阿斯顿：英国物理学家，长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器2.结构
3、及作用电离室：使中性气体电离，产生带电粒子加速电场：使带电粒子获得速度粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室电离室加速电场加速电场偏转磁场偏转磁场照相底片照相底片速度选择器速度选择器原理图原理图加速电场速度选择器3.原理在偏转磁场中：4.作用可测粒子的质量及比荷与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素221mvqU BqvEq0在电场中加速速度为v：经速度选择器速度为v0：qUmBR21RvmBqv2000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
4、磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为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A1A2。平板S下方有磁感应强度为B0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D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小BEv 0ABCABC例2.如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为vavb=vcvd，质量关系为ma=mbmc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和
5、A2两点。则射到P1板的是_粒子，射到P2板的是_粒子，打在A1点的是_粒子，打在A2点的是_粒子a ad dc cb b在粒子物理学（高能物理学）中，我们需要对粒子加速，让其去轰击其它粒子，从而撞碎粒子，以此发现粒子的内部结构，如何加速粒子呢？利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加KEqU由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制1932年,美国物理学家劳仑斯发明了从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步，为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室1.磁场
6、的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？2.电场的作用是什么？3.加速后半径和周期如何变？4.如何让粒子不断的加速？5.交变电压的周期有什么要求？阅读课本p17-p18，思考问题：一个周期加速两次，电压周期等于粒子运动的周期qBmTT2回旋电场思考：决定粒子加速后的最大速度或最大能量由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？RRmvBqv2mmmqBRvmmRBqmvEmkm2212222 对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关注意：回旋加速器不可无限加速！粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步qBmT
7、2例3.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极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒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，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（ ）A.增大匀强电场间的加速电压B.减小磁场的磁感应强度C.减小周期性变化的电场的频率D.增大D形金属盒的半径D D例4.回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m、电荷量为q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为U0，周期T
8、。一束该种粒子在t0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用，求：(1)出射粒子的动能Em(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间qBm 2(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动，有则mRBqmvEmm2212222RvmBqvmm2(2)设粒子被加速n次达到动能Em，则解得粒子在狭缝间的运动可等效成匀加速直线运动，设n次经过狭缝的总时间为t，则所以粒子运动的总时间粒子做圆周运动的总时间0nqUEm0222mURqBn 221tandmdqUa0又0UBRdt 得02022UBRTntdRUBRUBRdUBRt220002电离室电离室加速电场加速电场偏转磁场偏转磁场照相底片照相底片速度选择器速度选择器qUmBR21mRBqmvEmkm2212222
