【课件】质谱仪与回旋加速器课件2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册+.pptx

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1、在在科学研究和工业生产中，常需要科学研究和工业生产中，常需要将一束带将一束带等量电荷但不同质量（同等量电荷但不同质量（同位素）位素）的粒子分开，以便知道其中的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开你能设计一个方案，以便分开电荷电荷量相同、质量不同量相同、质量不同的带电粒子吗？的带电粒子吗？质谱仪产生的时代背景1897年英国物理学家约瑟夫约翰汤姆逊在阴极射线的定性和定量研究中发现了电子。1898年德国物理学家维恩又发现，不仅阴极射线在磁场和静电场中会发生偏转现象，某些正离子流也同样受磁场和静电场的影响。这种从气体放电管中引

2、出的正离子流又称阳射线。1905年汤姆逊转而开始研究阳射线。在研究中他发现，把氖充入放电管做实验时，在磁场或静电场作用下，出现了两条阳射线的抛物线轨迹。进一步研究，他又测出这两条抛物线所表征的原子量各为20和22。而当时公认氖的原子量为20.18。于是汤姆逊认为这可能是氖(Ne)和Ne与H2的混和气体。尽管当时索迪已经提出同位素的概念，但是汤姆逊对这一概念却持否定的态度，因此他对自己的实验结果无法作更合理的解释。1913年，汤姆逊学生阿斯顿设计发明了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。同年获得物理学麦克斯韦奖，1922年获得诺贝尔化学奖。了解阿斯顿阿斯顿分开比荷不同

3、分开比荷不同分开比荷不同分开比荷不同的的的的带电粒子的方案带电粒子的方案带电粒子的方案带电粒子的方案方案一方案一：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开：带电粒子偏转，从而把它们分开：U0LyU dm,q（1）先加速）先加速（2）再）再偏转（类平抛运动）偏转（类平抛运动）由：由：得：得：纵向：纵向：粒子的轨迹与粒子的比荷无关，无法分开质量不同的粒子。粒子的轨迹与粒子的比荷无关，无法分开质量不同的粒子。横向：横向：得：得：分开比荷不同分开比荷不同分开比荷不同分开比荷不同的的的的带电粒子的方案带电粒子的方案带

4、电粒子的方案带电粒子的方案方案二方案二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开：使带电粒子偏转，从而把它们分开：（1）先加速）先加速（2）再）再偏转偏转(匀速圆周运动）匀速圆周运动）比荷不同的带电粒子的半径不同，可以分开质量不同的粒子。比荷不同的带电粒子的半径不同，可以分开质量不同的粒子。由：由：得：得：U0Bm,q得：得：1、质谱仪、质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏利用磁场对带电粒子的偏转，由转，由带电粒子的带电粒子的电荷量、轨道半径电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。确定其质量的仪器。2、结构、结构及作用及

5、作用：（1）电离室）电离室：使：使中性中性气体气体电离电离，产生带电粒子，产生带电粒子（2）加速电场：使）加速电场：使带电粒子带电粒子获得速度获得速度（3）速度选择）速度选择器：筛选器：筛选既定速度作匀速既定速度作匀速直线运动直线运动的粒子的粒子进入偏转磁场进入偏转磁场（4）偏转磁场：）偏转磁场：使不同使不同带电粒子带电粒子偏转偏转分离分离（5）照相底片：记录不同粒子）照相底片：记录不同粒子偏转位置偏转位置及半径（相对原子质量刻度示数）及半径（相对原子质量刻度示数）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一、一、质谱仪质谱仪3 3、原理、原理：4、作用：

6、、作用：（1）测定粒子的）测定粒子的质量质量及及比荷（充入化合态气体）比荷（充入化合态气体）（2）发现）发现未知的元素未知的元素和和同位素同位素(将单质气体冲入）将单质气体冲入）加速电场加速电场U1：速度选择器速度选择器E，B：偏转磁场偏转磁场B0：加速电场加速电场速度选择器速度选择器将将质量不等质量不等、电荷数相等的带电粒子电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子同一匀强磁场，由于粒子质量不同质量不同，引起轨迹，引起轨迹半径不同半径不同而分开，而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类。进而分析某元素中所含同位素的种类。mr 2 【例例1】如图

7、所示，如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关为四个正离子，电量相等，速度大小关系为系为vavb=vcvd，质量关系为，质量关系为ma=mbmc=md，同时沿图示方向进，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向板，一粒子射向P2板，其余两粒子板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和和A2两点。则射到两点。则射到P1板板的是的是_粒子，射到粒子，射到P2板的是板的是_粒子，打在粒子，打在A1点的是点的是_粒子，打在粒子，打在A2点的是点的是_粒子。粒子。adcb题型

8、题型1、质谱仪对粒子的定性、质谱仪对粒子的定性判断判断【变式训练变式训练1】质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔下方的小孔S无初速度飘入电势差为无初速度飘入电势差为U的加的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中、氢的三种同位素的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的分别

9、为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的2倍，电荷量与质子相同）、倍，电荷量与质子相同）、氚（质量约为质子的氚（质量约为质子的3倍，电荷量与质子相同），最后打在照相底片倍，电荷量与质子相同），最后打在照相底片D上，上，形成形成a、b、c三条三条“质谱线质谱线”。则下列判断正确的是（）。则下列判断正确的是（）A进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚B进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚C在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚Da、b、c三条三条“

10、质谱线质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚依次排列的顺序是氕、氘、氚A【变式训练变式训练2】如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的从容器中的A点飘出（在点飘出（在A点初速度为零），经电压点初速度为零），经电压U加速后，从加速后，从x轴坐标原点处进入磁轴坐标原点处进入磁感应强度为感应强度为B的匀强磁场，最后分别打在感光板的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（）所通过的路径，则（）Ab进入磁场的速度一定大于进入磁场的速度一定大于a进入

11、磁场的速度进入磁场的速度Ba的比荷一定小于的的比荷一定小于的b比荷比荷C若若a、b电荷量相等，则它们的质量之比电荷量相等，则它们的质量之比D若若a、b质量相等，则在磁场中运动时间之比质量相等，则在磁场中运动时间之比C【例例2】对铀对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如意义。如图所图所示，质量为示，质量为m、电荷量为、电荷量为q的铀的铀235离子，从容器离子，从容器A下方的小孔下方的小孔S1不断飘入加不断飘入加速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁感应强垂直于磁场方向进入磁感

12、应强度为度为B的匀强磁场中，做半径为的匀强磁场中，做半径为R的的匀速圆周运动。不考虑离子匀速圆周运动。不考虑离子重力及离子重力及离子间的相互作用间的相互作用（1）求加速电场的电压）求加速电场的电压U；（2）实际上加速电压的大小会在实际上加速电压的大小会在UU范围内微小变化若容器范围内微小变化若容器A中有中有电荷量相同的铀电荷量相同的铀235和铀和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，入磁场中会发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，应应小于多少？（结果用百分数表示，保留两

13、位有效数字）小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字）题型题型2、质谱仪、质谱仪的具体求值的具体求值1加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，2直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：(一)、直线加速器 由动能定理得带电粒子经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：极的电场加速后增加的动能为：3直线加速器空间范围大，在有限的空间范围内加速器受到限制直线加速器空间范围大，在有限的空间范围内加速器受到限制二、二、回旋加速器有的长达几十千米

14、，坐落在两个城市之间粒子在圆筒内作粒子在圆筒内作匀速匀速.粒子粒子在筒壁之间作在筒壁之间作匀加速匀加速.因为电压因为电压周期不变，周期不变，粒子在每个金属圆筒中的运动时间粒子在每个金属圆筒中的运动时间相等。相等。了解劳伦斯 劳伦斯劳伦斯(Ernest Orlando Rawrence)是美国著名物理学家、是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者，回旋加速器的发明者，1930年，劳伦斯受聘于伯克利加利年，劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理，劳伦斯提福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理，劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。出一种使粒子作曲线运动并同时加速的

15、方案。劳伦斯劳伦斯19321932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D D型室.此加速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV1MeV（10107 7m/sm/s）的能量，为此）的能量，为此19391939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.1回旋加速器：回旋加速器：利用电场对带电粒子的加速和磁场对运动电荷的偏转利用电场对带电粒子的加速和磁场对运动电荷的偏转来来获得高能获得高能粒子粒子的装置。的装置。(二)、回旋加速器2、结构及作用：(1)两个大磁极两个大磁极：在带电粒子运动范围内产生很强的：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运

16、动。，使带电粒子做匀速圆周运动。(2)两个两个D形形扁平扁平铜盒铜盒：使：使D形形盒盒内部内部有磁场没有电场。有磁场没有电场。使带电粒子的圆使带电粒子的圆周运动不受电场影响。周运动不受电场影响。(3)D形盒间的形盒间的窄缝窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速使带电粒子在这一区间被电场加速(4)交变电场：交变电场：使带电粒子在使带电粒子在D形盒间的窄形盒间的窄缝被加速。缝被加速。回旋加速器问题问题1：带电粒子能够：带电粒子能够持续被加速持续被加速，对，对交变电场的周期交变电场的周期和粒子做和粒子做匀速圆匀速圆周运动的周期周运动的周期有何要求？有何要求？问题问题2：带电粒子：带电粒子最终获得的动能

17、最终获得的动能取决于哪些因素？取决于哪些因素？问题问题3：若：若D形盒无限大是否带电粒子速度可以被形盒无限大是否带电粒子速度可以被加速到无穷大加速到无穷大？3 3、工作原理、工作原理：（1 1）加速条件：）加速条件：带电粒子带电粒子偏转半周偏转半周电场电场方向要改变一次方向要改变一次，即一周内方即一周内方向变化两次向变化两次，以保证带电粒子始终被加速。，以保证带电粒子始终被加速。（2 2）粒子最大粒子最大动能：动能：（离开（离开半径半径与与D D形盒半径形盒半径相同）相同）最大动能最大动能由由磁感应强度磁感应强度B B和和D D形盒形盒半径半径R R决定，与加速决定，与加速电压的大小无关电压的

18、大小无关。交变电场周期交变电场周期等于等于粒子粒子的偏转周期的偏转周期（3 3）回旋加速器不能无限加速。）回旋加速器不能无限加速。粒子速度粒子速度v接近光速接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。场周期不同步。（5 5）带电粒子运动时间：）带电粒子运动时间：偏转时间：被加速次数为偏转时间：被加速次数为n，则偏转时间，则偏转时间加速时间：若带电粒子被加速次数为加速时间：若带电粒子被加速次数为n，d缝隙宽度缝隙宽度,则带电粒子加则带电粒子加速时间可看作从静止作开始匀加速直线运动速时间可看作从静止作开始匀加速直线运动nd位移的时

19、间位移的时间运运动总时间：（4 4）带电粒子加速次数：）带电粒子加速次数：由于由于t1t2，不作，不作严格要求格要求时t=t1+t2t1美国美国费米实验室环形加速器费米实验室环形加速器法国法国同步加速器同步加速器我国于1994年建成的第一台强流质子加速器【例例1】如图所示，回旋加速器如图所示，回旋加速器D形盒的半径为形盒的半径为R，用来加速质量为用来加速质量为m，电量为，电量为q的质子，质子每次经过的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，后，由由A

20、孔射出。下列说法正确的是（孔射出。下列说法正确的是（）A若半径若半径R、磁感应强度、磁感应强度B不变，加速电压不变，加速电压U越高，质子能量越高，质子能量E越大越大B若磁感应强度若磁感应强度B不变，加速电压不变，加速电压U不变，半径不变，半径R越大，质子能量越大，质子能量E越大越大C若半径若半径R、磁感应强度、磁感应强度B不变，加速电压不变，加速电压U越高，越高，质子在加速器中的运质子在加速器中的运动时间将越长动时间将越长D若半径若半径R、磁感应强度、磁感应强度B不变，加速电压不变，加速电压U越高，越高，质子在加速器中的运质子在加速器中的运动时间将越短动时间将越短BD【变式训练变式训练】如图为

21、回旋加速器示意图，两个靠得很近的如图为回旋加速器示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知，已知D形盒的半径为形盒的半径为R，高频交变电源的电压为，高频交变电源的电压为U、频率为、频率为f，质子质量为，质子质量为m，电荷量为，电荷量为q，已知，已知质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（）质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（）A粒子由加速器的边缘进入加速器粒子由加速器的边缘进入加速器B质子的最大速度不超过质子的最大速度不超过2RfC质子的最大动能与质子的

22、最大动能与U无关无关D粒子在狭缝和粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速形盒中运动时都能获得加速BC【例例2】如图所示，如图所示，D1和和D2是两个中空的半径为是两个中空的半径为R的半圆形金属盒，接在电的半圆形金属盒，接在电压为压为U的加速电源上，位于的加速电源上，位于D2圆心处的粒子源圆心处的粒子源A能不断释放出一种带电粒能不断释放出一种带电粒子（初速度可以忽略，重力不计），粒子在两盒之间被电场加速，子（初速度可以忽略，重力不计），粒子在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。已知粒子电荷量为的匀强磁场中。已知粒子电荷量为q、质、

23、质量为量为m，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化，下列说法正确的是（）量变化，下列说法正确的是（）A加速电源可以用直流电源，也可以用任意频率的交流电源加速电源可以用直流电源，也可以用任意频率的交流电源B加速电源只能用周期为加速电源只能用周期为 的交流电源的交流电源C粒子第一次进入粒子第一次进入D1盒与第一次进入盒盒与第一次进入盒D2的半径之比为的半径之比为1:2D粒子在电场中加速的次数为粒子在电场中加速的次数为D【例例3】置于真空中的置于真空中的D形金属盒半径为形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为，两盒间狭缝

24、的间距为d，磁感，磁感应强度为应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m、电荷量为、电荷量为q，加在狭缝间的交变电压如图，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为所示，电压值的大小为U0，周期，周期T2m/Bq 。一束该种粒子在。一束该种粒子在t0时刻从时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视处均匀地飘入狭缝，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：缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用。求：(1)出射粒子的动能出射粒子的动能Em；(2)粒子粒子在回旋加速器中运动的总时间。在回旋加速器中运动的总时间。一一.质谱仪质谱仪 二二.回旋加速器回旋加速器 1 1、条件、条件：2 2、粒子、粒子能量：能量：3 3、运动时间：、运动时间：课堂总结：谢谢谢谢 再见！再见！