1、4.4.质谱仪与回旋加速器质谱仪与回旋加速器第一章第一章2021内容索引课前篇课前篇 自主预习自主预习课堂篇课堂篇 探究学习探究学习学习目标思维导图1.了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。(科学思维)2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。(科学思维)课前篇课前篇 自主预习自主预习必备知识一、质谱仪1.组成由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成。2.用途质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖-20和氖-22,证实了同位素的存在。质谱仪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1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点?答案 由动能定理得:qU= mv2,可
2、见电场电压越高,粒子离开电场后的能量越高。由于技术条件的限制,两极电压不可能无限提高,因此常常采用多级加速的办法。在多级加速器中粒子做直线运动,加速装置要很长很长,占用的空间范围很大,在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。2.参照教材回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。答案 两个中空的半圆金属盒、两盒间有电势差U,两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。想一想回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?对交流电源的周期有什么要求?带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?提示 磁场的作用是使带电粒子回旋,电场的作用是使带电粒子加速。交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。自我检测1
3、.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。()解析 利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。答案 (2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。()解析 粒子被加速后,进入磁场,经过1个半圆的时间,再次进入电场被加速,再次进入磁场,经过1个半圆被加速;即交变电场或交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期。答案 (3)回旋加速器能把粒子加速到光速。()解析 回旋加速器加速的带电粒子,能量达到2530 MeV后,就很难再加速了。按照狭义相对论,粒子的质量随着速度的增加而增大,而质量的变化会导致其
4、回转周期的变化,交变电场的频率不再跟粒子运动频率一致,这样就破坏了加速器的工作条件,进一步提高粒子的速率就不可能了,所以回旋加速器不能把粒子加速到光速。答案 答案 2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,粒子从粒子源S出来时的速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的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片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是()A.粒子一定带正电B.粒子一定带负电C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小答案 AC 课堂篇课堂篇 探究学习探究学习探究一探究一质谱仪质谱仪情境探究如图
5、为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大?知识归纳1.质谱仪中带电粒子运动分析 2.质谱仪区分同位素 实例引导例1 如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是()A.进磁场时速率
6、从大到小的排列顺序是氕、氘、氚B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕答案 A 变式训练 1(多选)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D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小 答案 ABC
7、探究二探究二回旋加速器回旋加速器情境探究下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,交流电源的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量为m,电荷量为q,请思考:(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能的增加量是多少?(2)对交流电源的周期有什么要求?(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?要点提示 (1)磁场的作用是使带电粒子回旋,电场的作用是使带电粒子加速。动能的增加量为qU。(2)交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。(3)粒子的最大动能决定于磁感应强度B和D形盒的半径R。当带电粒子速知识归纳回旋加速器 1.
8、粒子被加速的条件交流电源的周期等于粒子在磁场中运动的周期。 粒子到狭缝总被加速 2.粒子最终的能量 3.提高粒子的最终能量的措施 4.粒子被加速次数的计算 5.粒子在回旋加速器中运动的时间 要点笔记 粒子最终获得的动能与加速电压U无关,加速电压U的大小影响粒子在回旋加速器中运动的时间和被加速的次数。实例引导例2 (多选)一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是()B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大D
9、.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值答案 AB 变式训练 2(多选)如图所示,回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置,其核心部分是两个D形金属盒,置于匀强磁场中,两盒分别与高频电源相连。下列说法正确的有()A.粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大B.粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大C.高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定D.粒子从磁场中获得能量答案 AC 随堂检测随堂检测1.若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示,则下列相关说法正确的是()A.该束带电粒子带负电B.速度选择器的P1极板带负电C.在
10、磁场B2中运动半径越大的粒子,比荷 越小D.在磁场B2中运动半径越大的粒子,质量越大解析 带电粒子在磁场中向下偏转,磁场的方向垂直纸面向外,根据左手定则知,该粒子带正电,故选项A错误。在平行金属板间,根据左手定则知,带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上,则电场力的方向竖直向下,知电场强度的方向竖直向下,所以速度选择器的P1极板带正电,故选项B错误。进入磁场B2中的粒子速度是固定的,答案 C 2.(多选)回旋加速器原理如图所示,由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是()A.粒子由加速器的中心附近进入加速器B.粒子由加速器的边缘进入加速器C.粒子从磁场中获得能量D.粒子从电场
11、中获得能量解析 粒子由加速器的中心附近进入加速器,从电场中获取能量,最后从加速器边缘离开加速器,选项A、D正确。答案 AD3.(多选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可看为零),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P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x,可以判断()A.若离子束是同位素,则x越大,离子质量越大B.若离子束是同位素,则x越大,离子质量越小C.只要x相同,则离子质量一定相同D.只要x相同,则离子的比荷一定相同答案 AD 4.(多选)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面的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,下列说法正确的是()A.增大匀强电场间的加速电压B.增大磁场的磁感应强度C.减小狭缝间的距离D.增大D形金属盒的半径解析 当带电粒子的速度最大时,其运动半径也最大,由洛伦兹力提供向心力得 所以要提高加速粒子射出时的动能,应增大磁感应强度和D形金属盒的半径。答案 BD 本本 课课 结结 束束
