第4節(jié) 質(zhì)譜儀和回旋加速器

思考：太陽每天都會(huì)向我們地球發(fā)射大量的帶電粒子。

那么這些粒子都是什么種類的粒子？

這些粒子地球上都有嗎？

這時(shí)我們需要的是將這些粒子分開來？怎么做到呢？第4節(jié)質(zhì)譜儀和回旋加速器阿斯頓：英國物理學(xué)家，長期從事同位素和質(zhì)譜的研究。他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對(duì)許多元素的同位素及其豐度進(jìn)行測量，從而肯定了同位素的普遍存在。同時(shí)根據(jù)對(duì)同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。FrancisWi11iamAston(1877－1945)阿斯頓有一句名言:“要做更多的儀器,還要更多地測量第4節(jié)質(zhì)譜儀和回旋加速器計(jì)算粒子的比荷或質(zhì)量的儀器.一、質(zhì)譜儀:阿斯頓：用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22，證實(shí)了同位素的存在,并由此獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)規(guī)律：第4節(jié)質(zhì)譜儀和回旋加速器例1.一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片D上。求（1）求粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率。（2）求粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。解:(1)得：若粒子未知，測出半徑.我們就可算出粒子的比荷，(2)從而就知道是哪種電荷。例2.(多選)如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖,帶電粒子被加速電場加速后,進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場。下列表述正確的是(

)A.質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B.速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于D.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P,

粒子的比荷越小ABC直線加速器在粒子物理學(xué)中，我們需要對(duì)粒子加速，從而去轟擊其它粒子，從而撞碎粒子，以此發(fā)現(xiàn)粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。思考：如果我們使用1000V的電壓,要將質(zhì)子加速到8×105eV,需要多少級(jí)加速電場?得：n=800級(jí)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單缺點(diǎn)：加速器的空間尺寸太大,實(shí)驗(yàn)必須在真空條件下進(jìn)行,20世紀(jì)初要獲得大范圍的真空條件同樣是困難的.那么如何使帶電粒子做曲線運(yùn)動(dòng)呢?能否讓粒子拐個(gè)彎，從而在一個(gè)有限的空間里一直加速呢?UU+UBB+一、質(zhì)譜儀:第4節(jié)質(zhì)譜儀和回旋加速器二、回旋加速器二、回旋加速器R最大速度

Vm=最大動(dòng)能

EKm=思考：決定粒子加速后的最大速度或最大能量由什么因素決定？跟電壓大小有關(guān)系嗎？1.結(jié)構(gòu)：2.規(guī)律：二、回旋加速器R二、回旋加速器注意：①最終V、EK與加速電壓的大小無關(guān)最大速度

Vm=最大動(dòng)能

EKm=1.結(jié)構(gòu)：2.規(guī)律：思考：那加速電壓大小有什么用呢？R二、回旋加速器注意：①最終V、EK與加速電壓的大小無關(guān)最大速度

Vm=最大動(dòng)能

EKm=1.結(jié)構(gòu)：2.規(guī)律：②加速電壓決定時(shí)間思考:交變電壓的周期如何確定?R注意：①最終V、EK與加速電壓的大小無關(guān)②加速電壓決定時(shí)間③一個(gè)周期加速兩次，電壓周期等于粒子運(yùn)動(dòng)的周期ut+V1V2T思考：帶電粒子加速后速度增大,周期需要改變嗎?+V1V2思考：帶電粒子加速后速度增大,周期需要改變嗎?挑戰(zhàn)：交變電壓太煩人，能不能設(shè)計(jì)一種電壓不需要改變卻能反復(fù)加速的儀器呢?例3：如圖所示為一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖。半徑為的兩個(gè)中空D形盒，處于垂直于盒面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場中。兩D形盒左端狹縫處放置一場強(qiáng)恒定的加速電場。帶電粒子從P0處以速度沿電場線方向射入加速電場，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，接著又從處進(jìn)入、板間，如此反復(fù)，最后從D形盒右側(cè)的邊緣飛出。對(duì)于這種改進(jìn)后的回旋加速器，帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速

次。若被加速的帶電粒子的電荷量為，質(zhì)量為，則粒子的最大速度的表達(dá)式為

。1

思考：如果我們要使用1000V的電壓,用回旋加速器將質(zhì)子加速到8×105eV,且所用磁場0.08T.質(zhì)子的質(zhì)量約等于1.67×10-27，估算這個(gè)回旋加速器的半徑有多大(保留兩位有效數(shù)字)?解：

EKm=得：R≈1.6m思考：如果我們使用1000V的電壓,要將質(zhì)子加速到8×105eV,需要多少級(jí)加速電場?得：n=800級(jí)

課堂小結(jié)原理:質(zhì)譜儀構(gòu)造:粒子源、加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場、膠片用途:計(jì)算粒子的比荷，分析同位素優(yōu)點(diǎn):靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單缺點(diǎn):幾乎沒有電場作用：使帶電粒子獲得一定速度磁場作用：使帶電粒子偏轉(zhuǎn)膠片：使粒子顯影課堂小結(jié)原理:回旋加速器構(gòu)造:D形盒