1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性

質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章安培力與洛倫茲力人教版

選擇性必修第二冊(cè)我們知道，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子施加力的作用，因此可以利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與質(zhì)量有關(guān)，如果B、v相同，m不同，則r不同，這樣就可以把不同的粒子分開(kāi)。以便進(jìn)一步分析其中所含物質(zhì)的成分。本節(jié)課我們來(lái)認(rèn)識(shí)兩種分析物質(zhì)成分經(jīng)常用到的儀器：質(zhì)譜儀和回旋加速器。質(zhì)譜儀是科學(xué)研究中用來(lái)分析同位素和測(cè)量帶電粒子質(zhì)量的重要工具。質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀主要由以下幾部分組成：①帶電粒子注入器②加速電場(chǎng)(U)③速度選擇器(B1、E)④偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(B2)⑤照相底片質(zhì)譜儀的構(gòu)造一、質(zhì)譜儀的工作原理1、質(zhì)譜儀分析同位素r一、質(zhì)譜儀的工作原理1、質(zhì)譜儀分析同位素電荷量相同，質(zhì)量不同的同位素，經(jīng)同一電場(chǎng)U0加速后，經(jīng)S3孔進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，由于其圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，就會(huì)打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線（叫作質(zhì)譜線）。例如：氕、氘、氚三種同位素（q相同，m不同）

2、質(zhì)譜儀測(cè)粒子的比荷、質(zhì)量①測(cè)比荷：

r（只需知道U0、r和B，即可求出比荷）②測(cè)質(zhì)量：D思考：在粒子物理學(xué)的研究中，經(jīng)常需要高能粒子做為“炮彈”去轟擊未知原子，以便“打開(kāi)”其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？由于粒子在加速過(guò)程中的徑跡為直線，要得到較高動(dòng)能的粒子，其加速裝置要很長(zhǎng)。1932年物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對(duì)帶電粒子進(jìn)行多次加速。勞倫斯第一臺(tái)回旋加速器能不能設(shè)計(jì)一種既能實(shí)現(xiàn)多次加速，又能減少占地空間的加速器呢？如果帶電粒子在一次加速后又轉(zhuǎn)回來(lái)被第二次加速，如此往復(fù)“轉(zhuǎn)圈圈”式地被加速，加速器裝置所占的空間就會(huì)大大縮小。而磁場(chǎng)正好能使帶電粒子“轉(zhuǎn)圈圈”，于是，人們依據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)出了用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速的回旋加速器。認(rèn)識(shí)回旋加速器回旋加速器由兩個(gè)中空的半圓金屬盒構(gòu)成，兩盒之間留有狹縫，狹縫內(nèi)有加速電場(chǎng)。粒子源產(chǎn)生的帶電粒子，在兩盒之間被電場(chǎng)加速。兩個(gè)半圓盒處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，所以粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)半個(gè)圓周之后，當(dāng)粒子再次到達(dá)兩盒間的縫隙時(shí)，這時(shí)控制兩盒間的電勢(shì)差，使其恰好改變正負(fù)，于是粒子經(jīng)過(guò)盒縫時(shí)再一次被加速。如此，粒子在做圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中一次一次地經(jīng)過(guò)盒縫，而兩盒間的電勢(shì)差一次一次地改變正負(fù)，粒子的速度就能夠增加到很大。二、回旋加速器的工作原理1、回旋加速器的結(jié)構(gòu)及原理①兩個(gè)D形盒區(qū)域加勻強(qiáng)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)（回轉(zhuǎn)）；②兩個(gè)D形盒之間狹縫區(qū)域加交變電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子的加速。帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期：當(dāng)磁場(chǎng)恒定不變時(shí)，對(duì)一定的帶電粒子來(lái)說(shuō)，這個(gè)周期是不變的，盡管粒子的速率和半徑一次比一次大，運(yùn)動(dòng)周期卻始終不變。想一想：考慮到帶電粒子每次在D形盒中轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間都一樣，那么兩盒之間電勢(shì)差的正負(fù)應(yīng)當(dāng)如何變換呢？接高頻電源狹縫粒子源

思考：兩個(gè)D形盒之間縫隙的電場(chǎng)方向應(yīng)該如何變換呢？如果在兩盒間加一個(gè)交變電場(chǎng)，使它也以同樣的周期往復(fù)變化，那就可以保證粒子每經(jīng)過(guò)電場(chǎng)區(qū)域時(shí)，都正好趕上適合的電場(chǎng)方向而被加速。

想一想：在我們討論帶電粒子的回旋時(shí)間時(shí)，忽略了粒子在縫間的加速時(shí)間，為什么可以做這種忽略呢？想一想：回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子，是否需要調(diào)整變化電場(chǎng)的周期?二、回旋加速器的工作原理2、粒子在磁場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)周期和交變電場(chǎng)的周期接高頻電源狹縫粒子源

①粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期：粒子在每個(gè)D形盒中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：②加速電場(chǎng)的周期：接高頻電源狹縫粒子源

思考：帶電粒子在回旋加速器中加速，最終能達(dá)到多大的速度呢？這個(gè)最大速度與加速電壓的大小有關(guān)系嗎？粒子每次被加速后，速度v增加，由

，可知：粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的半徑r越來(lái)越大。因D形盒的體積有限，當(dāng)軌跡半徑r達(dá)到D形盒最大半徑R時(shí)，需要把粒子從D形盒引出，此時(shí)，粒子速度達(dá)到最大?？梢?jiàn)：粒子能獲得的最大速度與加速電壓大小無(wú)關(guān)。想一想：加速電壓的大小會(huì)影響什么呢?思考：帶電粒子被加速的次數(shù)與加速電壓的大小之間有什么關(guān)系呢？加速電壓越大，每次速度增量越大，半徑r增加得越快，加速次數(shù)越少。加速電壓越小，每次速度增量越小，半徑r增加得越慢，加速次數(shù)越多。每次加速，動(dòng)能的增加量都相等，速度增量會(huì)越來(lái)越小，半徑增加得越來(lái)越慢，越往外軌跡越密集。思考：增大D形的半徑R，粒子能獲得的最大速度就增大，那么是不是只要不斷增大D形盒的半徑，就可以使粒子速度無(wú)限制增大呢？思考：增大D形的半徑R，粒子能獲得的最大速度就增大，那么是不是只要不斷增大D形盒的半徑，就可以使粒子速度無(wú)限制增大呢？這是我國(guó)最近自主研發(fā)成功的超導(dǎo)回旋加速器，質(zhì)子束能量首次達(dá)到231MeV。用于惡性腫瘤、心腦血管等重大疾病的診斷和治療。二、回旋加速器的工作原理3、粒子的最大速度和最大動(dòng)能①粒子的最大速度：（粒子的最大速度與加速電壓無(wú)關(guān)）②粒子的最大動(dòng)能：（D形盒最大半徑R）③加速電壓的大小只影響加速的次數(shù)，不影響最終速度。加速電壓大，每次速度增量大，半徑r增加得快，加速次數(shù)越少。加速電壓小，每次速度增量小，半徑r增加得慢，加速次數(shù)越多。例.（多選）1932年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說(shuō)法正確的是(

)A．帶電粒子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B．帶電粒子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C．電場(chǎng)使帶電粒子加速，磁場(chǎng)使帶電粒子旋轉(zhuǎn)D．離子從D形盒射出時(shí)的動(dòng)能與加速電場(chǎng)的電壓無(wú)關(guān)ACD

例.（多選）如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩金屬盒置于