【课件】质谱仪与回旋加速器.pptx
第一章第一章 安培力与洛伦兹力安培力与洛伦兹力4.4.质谱仪与回旋加速器质谱仪与回旋加速器 在科学研究和工业生产中，常需要将一束在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？带电粒子吗？美国费米实验室的回旋加速器直径长达美国费米实验室的回旋加速器直径长达2km2km，回旋加速器的直径为什么要这么大呢？，回旋加速器的直径为什么要这么大呢？了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。1.1.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。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。（科学思维）（科学思维）2.2.了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。（科学（科学思维）思维）体会课堂探究的乐趣，体会课堂探究的乐趣，汲取新知识的营养，汲取新知识的营养，让我们一起让我们一起 吧！吧！进进走走课课堂堂一、质谱仪一、质谱仪1.用途：质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素(测比荷）的工具质质谱谱仪仪原原理理2.质谱仪的原理.+-速度选择器照相底片质谱仪的示意图【理论分析理论分析】【例例1 1】设一个质量为设一个质量为m m、电荷量为、电荷量为q q的粒子的粒子,从容器下方的小孔从容器下方的小孔S S1 1飘入飘入电势差为电势差为U U的加速电场的加速电场,其初速度几乎为零其初速度几乎为零,然后经过然后经过S S3 3沿着与磁场垂直的方沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为向进入磁感应强度为B B的匀强磁场中的匀强磁场中,最后打到底片最后打到底片D D上上.求：求：(1)(1)求粒子进入求粒子进入磁场时的速率；磁场时的速率；(2)(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。求粒子在磁场中运动的轨道半径。可见半径不同则比荷不同，就意味着它们是不同的粒子。解析：解析：引入：直线加速器引入：直线加速器二、回旋加速器的原理二、回旋加速器的原理缺陷：直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间缺陷：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。范围内制造直线加速器受到一定的限制。由动能定理得带电粒子经由动能定理得带电粒子经n n极电场加速后增加的动能为：极电场加速后增加的动能为：1.1.回旋加速器的发明回旋加速器的发明1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。劳伦斯劳伦斯第一台回旋加速器第一台回旋加速器(1)(1)两个两个D D形盒及两个大磁极形盒及两个大磁极 (2)D(2)D形盒间的窄缝形盒间的窄缝 (3)(3)高频交流电高频交流电2.2.回旋加速器的结构回旋加速器的结构3.3.回旋加速器的原理回旋加速器的原理（1 1）电场的作用：使粒子加速）电场的作用：使粒子加速 （2 2）磁场的作用：使粒子回旋）磁场的作用：使粒子回旋 （3 3）交变电压：保证带电粒子）交变电压：保证带电粒子 每次经过窄缝时都被加速每次经过窄缝时都被加速【互动探究互动探究】粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期动周期T T=，与运动速率无关。，与运动速率无关。回回旋旋加加速速器器的的原原理理分分析析4.带电粒子的最终能量 当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由半径公式得若若 D 形盒半径为形盒半径为R，则带电粒子的最终动能 可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。【互动探究互动探究】根据根据D D越大，越大，E EK K越大，是不是只要越大，是不是只要D D不断增大，不断增大，E EK K 就可以无限制增大呢就可以无限制增大呢?实际并非如此。这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，实际并非如此。这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件。这就破坏了加速器的同步条件。【例2】1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是()A带电粒子由加速器的中心附近进入加速器B带电粒子由加速器的边缘进入加速器C电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转D离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关D D三、带电粒子在复合场中的运动实例三、带电粒子在复合场中的运动实例1电磁流量计(1)结构：如图所示，圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力的作用下横向偏转，a、b间出现电势差，形成电场。(2)原理：当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定，即：所以所以因此液体流量因此液体流量2霍尔效应：(1)定义：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差（霍尔电压），其原理如图所示。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为式中的比例系数式中的比例系数k k称为霍尔系数称为霍尔系数(2)电势高低的判断：如图，金属导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，金属中的自由电子受到的洛伦兹力方向向上，电子在上表面聚集，因此下表面A的电势高。(3)霍尔电压的推导：导体中的自由电荷(电子)在洛伦兹力作用下偏转，A、A间出现电势差，当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，A、A间的电势差(U)就保持稳定InqvS，Shd联立得联立得式中的比例系数式中的比例系数 称为霍尔系数称为霍尔系数 一一.质谱仪质谱仪 二二.回旋加速器回旋加速器由：由：得：得：1.1.条件：条件：2.2.粒子能量：粒子能量：1.（多选）如图所示是质谱议的工作原理示意图。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和匀强电场的强度分别为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E/B D粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P，粒子的荷质比越小ABCABC2.（多选）如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是()A它们的最大速度相同B它们的最大动能相同C它们在D形盒中运动的周期相同D仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能ACAC3.质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求：（1）粒子射出加速器时的速度v为多少？（2）速度选择器的电压U2为多少？（3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？解析：（1）在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有，得（2）在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等，即，代入v值得（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径，代入v值得4.4.回回旋旋加加速速器器是是用用来来加加速速带带电电粒粒子子使使它它获获得得很很大大动动能能的的仪仪器器，其其核核心心部部分分是是两两个个D D形形金金属属盒盒，两两盒盒分分别别和和一一高高频频交交流流电电源源两两极极相相连连，以以便便在在盒盒间间的的窄窄缝缝中中形形成成匀匀强强电电场场，使使粒粒子子每每次次穿穿过过窄窄缝缝都都得得到到加加速速，两两盒盒放放在在匀匀强强磁磁场场中中，磁磁场场方方向向垂垂直直于于盒盒底底面面，粒粒子子源源置置于于盒盒的的圆圆心心附附近近，若若粒粒子子源源射射出出的的粒粒子子电电荷量为荷量为q q，质量为，质量为m m，粒子最大回旋半径为，粒子最大回旋半径为R Rm m，其运动轨迹如图所示，问：，其运动轨迹如图所示，问：U Ut-U-U(1)(1)盒中有无电场？盒中有无电场？(2)(2)粒子在盒内做何种运动？粒子在盒内做何种运动？(3)(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？(4)(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？(5)(5)设两设两D D形盒间电场的电势差为形盒间电场的电势差为U U，求加速到上述能量所需的时间。，求加速到上述能量所需的时间。(不计不计粒子在电场中运动的时间粒子在电场中运动的时间)
