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必修第二冊

1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器知識回顧由：得：再由：

微觀帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的圓半徑和周期，與粒子運(yùn)動的速度、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系呢？

在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。（1）先加速U0LyUdm,q由：得：（2）再偏轉(zhuǎn)由水平：由豎直：得：設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案：如何分離不同比荷的帶電粒子？科學(xué)探究U0Bm,q電場由：得：磁場由：得：得：設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案：如何分離不同比荷的帶電粒子？科學(xué)探究加速偏轉(zhuǎn)弗朗西斯?阿斯頓一、質(zhì)譜儀一、質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。是科學(xué)研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質(zhì)量的重要工具。2.結(jié)構(gòu)及作用：①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：以相同速度進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場④偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片速度選擇器原理圖

加速電場速度選擇器3.原理：4.作用：①可測粒子的質(zhì)量及比荷②與已知粒子半徑對比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素由于粒子的荷質(zhì)比不同，則做圓周運(yùn)動的半徑也不同，因此打到不同的位置。由粒子質(zhì)量公式可知，如果帶電粒子的電荷量相同，質(zhì)量有微小差別，就會打在照相底片上的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線，不同質(zhì)量對應(yīng)著不同的譜線，叫作質(zhì)譜線。一、質(zhì)譜儀在偏轉(zhuǎn)電場中，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為x

=2

r比荷比荷:質(zhì)量:例

現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場。若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為（）A.11

B.12

C.121

D.144D一、質(zhì)譜儀直線加速器要認(rèn)識原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？科學(xué)探究產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器能不能設(shè)計一種能實(shí)現(xiàn)多次加速，又減少占地空間的加速器呢？Um,qB二、回旋加速器1932年美國物理學(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)對帶電粒子進(jìn)行多級加速。勞倫斯第一臺回旋加速器原理圖接高頻電源狹縫原理圖粒子源

（1）為了保證帶電粒子每次到達(dá)D形盒縫隙間都能被加速，那D形盒縫隙的電場方向應(yīng)該是恒定的還是變化的呢？二、回旋加速器思考與討論

1.變化電場由于粒子在D型盒內(nèi)每回旋半圈，進(jìn)入盒縫間就需要加速一次，因此類似于多級直線加速器，電場方向應(yīng)該是變化的。二、回旋加速器思考與討論（2）如果這個變化電場的周期是恒定的，我們就容易控制和實(shí)現(xiàn)。

如果不是恒定的，是不是控制和實(shí)現(xiàn)起來會有一定的技術(shù)困難。

你認(rèn)為這個電場變化的周期是恒定的嗎？你分析的依據(jù)是什么呢？帶電粒子，在磁場中回旋半周，加速

次，需要電場變化

次方向。帶電粒子加速后，速度發(fā)生變化，在磁場中回旋半徑

。帶電粒子在磁場中運(yùn)動的周期跟速度

關(guān)，即只要每隔

個周期變化一次電場方向就能保證每次帶電粒子到達(dá)盒縫間都能再次被加速。電場變化

次方向?yàn)橐粋€完整周期，因此只要保證電場變化的周期T電

T磁

就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的持續(xù)的加速回旋過程。一一發(fā)生變化無半兩=二、回旋加速器思考與討論

2.條件：磁場周期：電場周期：T電

T磁=（2）如果這個變化電場的周期是恒定的，我們就容易控制和實(shí)現(xiàn)。

如果不是恒定的，是不是控制和實(shí)現(xiàn)起來會有一定的技術(shù)困難。

你認(rèn)為這個電場變化的周期是恒定的嗎？你分析的依據(jù)是什么呢？

（3）在我們討論帶電粒子的回旋時間時，忽略了粒子在縫間的加速時間，為什么可以做這種忽略呢？因?yàn)閮蓚€D形盒的縫寬遠(yuǎn)小于盒的半徑，粒子在D形盒中經(jīng)過半周的回旋時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加速時間，因此可以忽略縫間加速時間。二、回旋加速器思考與討論

（4）回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子，是否需要調(diào)整變化電場的周期?需要，因?yàn)閹щ娏Ｗ拥幕匦芷诟群捎嘘P(guān)，而電場的變化周期應(yīng)該等于帶電粒子的回旋周期。（5）某種帶電粒子在回旋加速器中被不停的持續(xù)加速后，帶電粒子的能量能無限增大嗎？這個最大能量跟加速電壓有關(guān)嗎？3.帶電粒子的最終能量當(dāng)帶電粒子的速度最大時，其運(yùn)動半徑也最大，由半徑公式得若D

形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動能可見，帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)，只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B

和D

形盒半徑R

有關(guān)。二、回旋加速器思考與討論（5）某種帶電粒子在回旋加速器中被不停的持續(xù)加速后，帶電粒子的能量能無限增大嗎？這個最大能量跟加速電壓有關(guān)嗎？超導(dǎo)回旋加速器這是我國最近自主研發(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。美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

例1.（多選）1932年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是(

)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．電場使帶電粒子加速，磁場使帶電粒子旋轉(zhuǎn)D．離子從D形盒射出時的動能與加速電場的電壓無關(guān)ACD

例2.（多選）如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場中，并分別與高頻電源相連?，F(xiàn)分別加速氘核(H)和氦核(He)。下列說法中正確的是(

)

A．它們的最大速度相同B．它們的最大動能相同C．它們在D形盒中運(yùn)動的周期相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動能AC例3.

(任務(wù)2)(多選)1930年勞倫斯制成世界上第一臺回旋加速器,其原理如圖所示。這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成,其間留有空隙,下列說法正確的是(

)。A.粒子從電場中獲得能量B.粒子獲得的最大速度與回旋加速器半徑有關(guān)C.粒子獲得的最大速度與回旋加速器內(nèi)的電場有關(guān)D.回旋加速器中的電場和磁場交替對帶電粒子做功AB電場對帶電粒子的作用磁場對帶電粒子的作用小結(jié)小結(jié)

一.質(zhì)譜儀

二.回旋加速器由：得：

1.條件：

2.粒子能量：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動v∥Bv⊥B應(yīng)用勻速直線運(yùn)動勻速圓周運(yùn)動回旋加速器原理：半徑：周期：電場加速磁場回旋小結(jié)挑戰(zhàn)練習(xí)3．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時的動能，則下列說法中正確的是（）A．增大勻強(qiáng)電場間的加速電壓B．減小磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．減小周期性變化的電場的頻率D．增大D形金屬盒的半徑D挑戰(zhàn)練習(xí)

C挑戰(zhàn)練習(xí)5．如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過電場區(qū)時，都恰好在電壓為U時被加速，且電場可視為勻強(qiáng)電場，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說法正確的是（）A．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子的能量E將越大B．磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，

質(zhì)子的能量E將越大C．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動時間將越長D．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動時間將越短BD6.質(zhì)量和電量都相等的帶電粒子M和N,以不同的速率經(jīng)小孔S垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場,運(yùn)行的半圓軌跡如圖中虛線所示,下列表述正確的是()

A.M帶負(fù)電,N帶正電

B.M的速率小于N的速率

C.洛倫茲力對M、N做正功

D.M的運(yùn)行時間大于N的運(yùn)行時間A7.“人造小太陽”托卡馬克裝置使用強(qiáng)磁場約束高溫等離子體,使其中的帶電粒子被盡可能限制在裝置內(nèi)部,而不與裝置器壁碰撞。已知等離子體中帶電粒子的平均動能與等離子體的溫度T成正比,為約束更高溫度的等離子體,則需要更強(qiáng)的磁場,以使帶電粒子在磁場中的運(yùn)動半徑不變。由此可判斷所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度B正比于(

)

A.

B.T

C.

D.T2A8.電子自靜止開始經(jīng)M、N兩板間（兩板間的電壓為U）的電場加速后從A點(diǎn)垂直于磁場邊界射入寬度為d的勻強(qiáng)磁場中，電子離開磁場時的位置P偏離入射方向的距離為L，如圖所示.求勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度.（已知電子的質(zhì)量為m，電量為e）【解析】電子在M、N間加速后獲得的速度為v，由動能定理得：mv2-0=eU電子進(jìn)入磁場后做勻速圓周運(yùn)動，設(shè)其半徑為r，則：evB=m電子在磁場中的軌跡如圖，由幾何關(guān)系得：故勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：or2=(r-L)2+d2B=emUdLL2222+9.如圖所示，在x軸上方有勻強(qiáng)磁場B，一個質(zhì)量為m，帶電量為-q的粒子，以速度v