高中人教版 (2019)4 质谱仪与回旋加速器多媒体教学ppt课件

这是一份高中人教版 (2019)4 质谱仪与回旋加速器多媒体教学ppt课件，共40页。PPT课件主要包含了知识回顾，科学探究，1先加速，2再偏转，由水平，由竖直，电场加速，磁场偏转，质谱仪，结构及作用等内容，欢迎下载使用。

微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？
微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？
在科学研究和工业生产中，常常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。
设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？
首先，同学们可能会想到前面学习过，电场中有这样一个情景。
通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的，也就是说当x等于板长L时，所有带电粒子都将从同一偏移位置 离开偏转场。
那同学自然会想到，既然加速后的粒子在偏转电场中不能分离，磁场也能让带电粒子偏转，可不可以用磁场偏转来分离呢？
加速后的带电粒子垂直磁场左边界垂直进入磁场，洛伦兹力与速度垂直，刚好充当圆周运动的向心力，做匀速圆周运动。
显然，根据r这个表达式，B、U0一定时，不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。
当然，如果我们在磁场的上边界适当处放置一张感光底片，大量的不同带电粒子打在照相底片的不同地方感光，通过测量感光点与入射点的距离就可以测出圆周运动的半径r，进而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的质量，这种仪器叫做质谱仪。
1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。
⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
②加速电场：使带电粒子获得速度
③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场
④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
由于粒子的比荷不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。
让某种中性气体分子在电离室A内被电离成离子，大量的电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U加速后，经S3孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线。
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
在19世纪末，英国物理学家汤姆孙的学生“阿斯顿”就按照这样的想法设计了质谱仪，他用质谱仪发现了氖 20 和氖 22，证实了化学中同位素的存在。现在经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是粒子物理科学研究和分析同位素的重要工具。
在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
粒子获得的能量：Ek=Uq
缺点: 受实际能达到的电压限制,所获能量并不太高
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：
缺点：为了获得足够高能量，采用多级直线加速器的加速装置要很长很长，所占空间太大。
这是我们北京正负电子对撞机俯视图，蓝色的部分像个具大的“网球拍”，狭长的把手位置就是直线加速器，足足有202米长，北京的正负电子对撞机是世界上几大高能加速器之一。
这是欧美的强子对撞直线加速器达到几公里长度。
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
进而我们会想到电场能让粒子加速，而磁场能让粒子反反复复的转圈圈。如果我们让带电粒子在电场中加速一次后，能转一圈回来被电场再接着加速，如此往复转圈式的被加速，不就能实现多次加速又省地的想法了吗？
于是，人们设计出了用磁场控制轨道，用电场进行加速的装置,就是回旋加速器。
1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实验室成为世界物理学家参观学习的基地。
在二战美国研制原子弹期间，劳伦斯从事过用电磁法分离铀－235，以及用加速器生产钚－239的实验研究，为探寻获取美国首批原子弹的装料途径做出了独特的贡献。到1948年，由劳伦斯建议制造的大型回旋加速器已能提供α粒子束、氘粒子束和质子束。同年初，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV α粒子找到了介子，不久美国即开始建造第一座π介子工厂。从此，开创了一个高能物理的新时代。由于劳伦斯的倡议和推动，美国加利福尼亚大学建造了一台6GeV高能质子同步稳相加速器。物理学家们在这台巨型加速器上进行高能物理研究，完成了一系列重大发现。
世界上第一台回旋加速器 （劳伦斯）
这就是世界上第一台回旋加速器（4.5英寸），是1931年由美国加利福尼亚州伯克利加州大学劳伦斯跟他人合作研制完成，结构原理可以简化为下面这张图，回旋回速器是由两个D1和D2的中空的半圆形金属盒组成，两盒之间接有交流电源，用于加速带电粒子。两个半圆形盒处于匀强磁场B中，用于回旋带电粒子，实现多次加速功能。
２． 粒子的回转周期会变化吗？
１．粒子圆周运动的半径和速度的关系
讨论：回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为Ｒ，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。求：
讨论：为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？
由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器一样，电场方向应该是变化的，所以我们需要在D形盒缝隙间接上交流电源，以便产生方向变化的电场。
讨论：你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？
带电粒子，在磁场中回旋半周，加速一次，需要电场变化一次方向。虽然带电粒子加速后，速度发生变化，在磁场中回旋半径 发生变化，但带电粒子在磁场中运动的周期 跟速度无关，也就是说只要每隔固定的时间变化一次电场方向就能保证每次
都能隔固定的时间 变化一次电场方向就能保证每次带电粒子到达盒缝间都能再次被加速。电场变化两次方向为一个完整周期，因此只要保证电场变化的周期 就可以实现稳定的持续的加速回旋过程。
讨论：在我们分析带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？
因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。
讨论： 回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期?
需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。
讨论： 某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？
能量显然是不能无限增大的，因为带电粒子加速
后随速度增大，回旋的半径也会增大，这个半径是不能超过D形盒半径的，否则粒子会在回旋过程中撞到盒壁上。也就是说当带电粒子的回旋半径接近D形盒半径时，就要通过其它方法，把加速后的带电粒子引出回旋加速器，结束加速的过程。因此带电粒子的能量是不能无限增大的。
已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求：从出口射出时，粒子的速度v=？
解：当粒子从D形盒出口飞出时，粒子的运动半径=D形盒的直径/2
粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径、磁场、粒子比荷决定。
已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求：（1）从出口射出时，粒子的最终动能Ekmax=？（2）要增大某粒子（m、q确定）的最大动能可采取哪些措施？
讨论： 通过增大盒内磁感应强度或无限增大D形盒半径，能否无限增大带电粒子的能量？
实际上回旋回速器加速的带电粒子，能量达到25至30MeV以后，就很难再增加了，原因是，按照我们在必修2中学习的相对论知识，粒子质量会随速度增加而增加，质量的增加会导致回旋周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步，不能再持续加速。
思考：粒子每次加速获得的动能是多少？
思考：粒子共加速次数N？
思考：粒子一个周期加速几次？
思考：粒子转动的圈数n？
思考：粒子在加速器运动总时间t？
这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。
目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。