人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器优秀ppt课件

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　　在科学研究和工业生产中，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。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？
分开比荷不同的带电粒子的方案
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。原理图如图所示：
（2）再偏转（类平抛运动）
由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。
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。原理图如图所示：
（2）再偏转(匀速圆周运动）
由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。
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
⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。
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
3、作用：质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具
【例1】 一个质量为 1.67×10 -27 kg、电荷量为 1.6×10 -19 C 的带电粒子，以 5×10 5 m/s 的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场。求：（1）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比；（2）粒子在磁场中运动的轨道半径；（3）粒子做匀速圆周运动的周期。
解 ：（1）粒子所受的重力 G＝mg ＝1.67×10 -27 ×9.8 N 　　　　　　　　　　　　　 ＝1.64×10 -26 N 所受的洛伦兹力 F＝qvB＝1.6×10 -19 ×5×10 5 ×0.2 N 　　　　　　　　　 　 ＝ 1.6×10 -14 N 重力与洛伦兹力之比 G／F＝1.64×10 -26 ／1.6×10 -14　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ＝1.03×10 -12可见，带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力远大于重力，重力作用的影响可以忽略。
（2）带电粒子所受的洛伦兹力为　F ＝ qvB　　 洛伦兹力提供向心力，故　 qvB＝mv 2／r　　 由此得到粒子在磁场中运动的轨道半径　　　　　r＝mv／qB　　　　　 ＝1.67×10 -27 ×5×10 5／1.6×10 -19 ×0.2m　　　　　 ＝2.61×10 -2 m（3）粒子做匀速圆周运动的周期　　 T＝2πr／v＝2πm ／qB 　　　　　　　 ＝2×3.14×1.67×10 -27／1.6×10 -19 ×0.2 s　　　　　　　 ＝3.28×10 -7 s
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， qU=Ek．
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．直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
1.1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。
①带电粒子在D形盒中运行的周期：
③电场的变化周期要等于粒子的运动周期：
1.在磁场中做圆周运动,周期不变2.每一个周期加速两次3.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同4.电场一个周期中方向变化两次5.粒子加速的最大速度由盒的半径决定6.电场加速过程中,时间极短,可忽略
思考题：正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）（1）带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧所对应的圆心角的2倍。（ ）（2）带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变。（ ）（3）速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性。（ ）（4）应用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。（ ）（5）回旋加速器两狭缝可以接直流电源。（ ）
3．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（ ）A．增大匀强电场间的加速电压B．减小磁场的磁感应强度C．减小周期性变化的电场的频率D．增大D形金属盒的半径
5．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．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子的能量E将越大B．磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大， 质子的能量E将越大C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越长D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越短
1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到1Mev。1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。
回旋加速器与人们的生活
(1)磁场的作用： 带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速．(2)电场的作用： 回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．(3)交变电压： 为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压．
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r =mv/qB　得v =rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：
所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R．
如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？
回旋加速器不可无限加速：
　　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。
垂直电场线进入匀强电场(不计重力)
垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力)
电场力F＝Eq大小、方向都不变
洛伦兹力F洛＝qvB的大小不变，方向随v的方向的改变而改变
匀速圆周运动或其一部分
偏移y和偏转角φ要通过类平抛运动的规律求解
偏转y和偏转角φ要结合圆的几何关系通过对圆周运动的讨论求解
1.如图为质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图。速度选择器中场强E方向向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，右侧分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射。若，不计重力，则 打在四点的离子分别是（　　）A. 甲乙丙丁　　　B. 甲丁乙丙　　　C. 丙丁乙甲　　　D. 甲乙丁丙  
2.［多选］如图甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t变化的规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是（ ）　　　　A.在Ek-t图像中应有t4-t3=t3-t2=t2-t1B.高频电源的变化周期应该等于tn-tn-1C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D.要想使粒子获得的最大动能变大，则可将D形盒的面积变大
解析：带电粒子在加速电场中运动时，有qU= ，在磁场中偏转时，其半径r= ，由以上两式整理得r= 。由于质子与一价正离子的电荷量相同， B1∶B2 =1∶12，当半径相等时，解得 =144。
3. 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（　　）A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
4. 回旋加速器的工作原理如图甲所示，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乙所示，电压值的大小为U0，周期T= 。一束该种粒子在t=0~ 时间内从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）粒子从飘入狭缝至动能达到Em所需的总时间t0； （3）要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出，d应满足的条件。
解：（1）粒子运动半径为R时,qvB=m ，且Em= ，解得Em= （2）粒子被加速n次达到动能Em，则Em=nqU0粒子在狭缝间做匀加速运动，设n次经过狭缝的总时间为Δt加速度 a= 匀加速直线运动nd= a·Δt2由 t0=（n-1） +Δt，解得t0= - （3）只有在0~ 时间内飘入的粒子才能每次均被加速则所占的比例为η= ，由η>99%，解得d< 。