高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器背景图课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器背景图课件ppt，共27页。PPT课件主要包含了1先加速，结构及作用，质谱仪，加速电场U1，速度选择器EB，偏转磁场B0，直线加速器，回旋加速器，工作原理，③运动总时间等内容，欢迎下载使用。
在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷但不同质量（同位素）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，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？
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。
分开比荷不同的带电粒子的方案
方案一：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开：
（2）再偏转（类平抛运动）
粒子的轨迹与粒子的比荷无关，无法分开质量不同的粒子。
方案二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开：
（2）再偏转(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。
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。
（1）电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
（2）加速电场：使带电粒子获得速度
（3）速度选择器：筛选既定速度作匀速直线运动的粒子进入偏转磁场
（4）偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
（5）照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径（相对原子质量刻度示数）
（1）测定粒子的质量及比荷（充入化合态气体）
（2）发现未知的元素和同位素(将单质气体冲入）
将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子质量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类。
【例1】如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb= vc＜vd，质量关系为ma= mb＜mc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和A2两点。则射到P1板的是____粒子，射到P2板的是___粒子，打在A1点的是____粒子，打在A2点的是____粒子。
题型1、质谱仪对粒子的定性判断
【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。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A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的2倍，电荷量与质子相同）、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D上，形成a、b、c三条“质谱线”。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B．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D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚
【变式训练2】如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的A点飘出（在A点初速度为零），经电压U加速后，从x轴坐标原点处进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（　　）A．b进入磁场的速度一定大于a进入磁场的速度B．a的比荷一定小于的b比荷C．若a、b电荷量相等，则它们的质量之比D．若a、b质量相等，则在磁场中运动时间之比
【例2】对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示，质量为m、电荷量为q的铀235离子，从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场，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度为B的匀强磁场中，做半径为R的匀速圆周运动。不考虑离子重力及离子间的相互作用．（1）求加速电场的电压U；
（2）实际上加速电压的大小会在U±△U范围内微小变化．若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子，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，应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字）
题型2、质谱仪的具体求值
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，
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：
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．
有的长达几十千米，坐落在两个城市之间……
粒子在圆筒内作匀速.粒子在筒壁之间作匀加速.因为电压周期不变，粒子在每个金属圆筒中的运动时间相等。
劳伦斯(Ernest Orland Rawrence)是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者，1930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，劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。
1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.
此加速器可将质子和氘核加速到1MeV（107m/s）的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.
1．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来获得高能粒子的装置。
(1)两个大磁极 ：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。
(2)两个D形扁平铜盒：使D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒子的圆周运动不受电场影响。
(3)D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速
(4)交变电场：使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。
问题1：带电粒子能够持续被加速，对交变电场的周期和粒子做匀速圆周运动的周期有何要求？
问题2：带电粒子最终获得的动能取决于哪些因素？
问题3：若D形盒无限大是否带电粒子速度可以被加速到无穷大？
（1）加速条件：带电粒子偏转半周电场方向要改变一次，即一周内方向变化两次，以保证带电粒子始终被加速。
（2）粒子最大动能：（离开半径与D形盒半径相同）
最大动能由磁感应强度B和D形盒半径R决定，与加速电压的大小无关。
交变电场周期等于粒子的偏转周期
（3）回旋加速器不能无限加速。
粒子速度v接近光速c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。
（5）带电粒子运动时间：
①偏转时间：被加速次数为n，则偏转时间
②加速时间：若带电粒子被加速次数为n，d缝隙宽度,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nd位移的时间
（4）带电粒子加速次数：
由于t1>>t2，不作严格要求时t=t1+t2≈t1
美国费米实验室环形加速器
【例1】如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U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E后，由A孔射出。下列说法正确的是（ ）A．若半径R、磁感应强度B不变，加速电压U越高，质子能量E越大B．若磁感应强度B不变，加速电压U不变，半径R越大，质子能量E越大C．若半径R、磁感应强度B不变，加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越长D．若半径R、磁感应强度B不变，加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越短
【变式训练】如图为回旋加速器示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知D形盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q，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（　　）A．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2πRfC．质子的最大动能与U无关D．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速
【例3】置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为U0，周期T＝2πm/Bq 。一束该种粒子在t＝0时刻从A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Em；
(2)粒子在回旋加速器中运动的总时间。