高中人教版 (2019)质谱仪与回旋加速器教学ppt课件

这是一份高中人教版 (2019)质谱仪与回旋加速器教学ppt课件，共51页。PPT课件主要包含了学习目标，教学重点，教学难点，重点难点，知识回顾，课堂导入，质谱仪，典型例题，直线加速器，回旋加速器等内容，欢迎下载使用。
理解质谱仪的工作原理。掌握回旋加速器的基本原理，理解交变电场与恒定磁场的作用。
对比两类仪器的设计思路，体会“电场加速、磁场偏转”的思想方法。
通过动画演示与受力分析，建构仪器工作的物理模型。会分析粒子在速度选择器与偏转磁场中的运动。
感受物理原理在科技发展中的应用，激发科学探索兴趣。
教学重点：质谱仪中速度选择器的条件（qE = qvB）。回旋加速器中粒子最大动能的影响因素（Ek∝B2R2）。
教学难点：理解回旋加速器中交变电场的频率与粒子回旋频率的同步关系。质谱仪中不同粒子在磁场中偏转半径的差异分析。
1、带电粒子在匀强磁场中可能做什么运动？
（1）当带电粒子速度与磁场方向平行时：
（2）当带电粒子速度与磁场方向垂直时：
（3）当带电粒子速度与磁场方向有夹角时：
2、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期？
　　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
猜想：不同比荷的粒子，能否经电场加速再经匀强电场偏转后分离？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。
猜想：不同比荷的粒子，能否经电场加速再经匀强磁场偏转后分离？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：使具有相同速度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
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
图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q，加速电场电压为U，偏转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度几乎为0。则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？
打在底片上的位置到S3的距离为
相同电荷不同质量位置不同
视野——我国质谱仪发展史
例3、如图所示，P1、P2两极板间存在方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场。从O点以不同速率沿OS0(OS0与电、磁场垂直)方向进入P1、P2两板间的多个氘核和氚核，若能从S0垂直于MN边界进入匀强磁场B2中，则分别打在照相底片上的C、D两点。已知氘核、氚核的电荷量相同，质量之比为2∶3。设打在照相底片上的氘核、氚核从O点入射的速率分别为v1、v2，在B2磁场中的轨道半径分别为r1、r2，则(　　)A．v1∶v2＝3∶2  B．r1∶r2＝2∶3C．CD间的距离为r1  D．CD间的距离为r2
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：
多级直线加速器应具备的条件：利用电场加速带电粒子: qU=ΔEk​多级串联加速结构: 粒子依次通过每级间隙获得能量增量，累积到高能。加速区外静电屏蔽: 粒子在内部做匀速直线运动，避免反向电场减速用高频交变电源: 保证粒子每到间隙时电场方向都与运动方向一致，持续做正功。电场交变与粒子运动严格同步: 粒子在圆筒内的匀速时间等于交变电源半个周期高真空环境：减少粒子与气体分子碰撞导致的能量损失与束流发散。
粒子沿直线加速，要达到高能量，加速管必须很长，占地大（斯坦福加速器占地达426英亩）、造价高、工程难度大。
加速效率相对较低：粒子只在经过间隙时被加速，大部分时间在漂移，单位长度能量增益不如回旋式加速器。
发明回旋加速器（1932 年）：首次实现低成本、紧凑型高能粒子源，开启核物理实验新时代开创人工放射性研究：用回旋加速器轰击原子核，人工合成多种放射性同位素，直接推动核医学发展创大型科学实验室模式：推动加速器技术迭代，为后续同步加速器、对撞机奠定基础，两国家实验室以他命名。曼哈顿计划核心成员：主管电磁法分离铀‑235，为原子弹研制提供关键技术化学元素 铹（Lr， 103）以他命名
劳伦斯(Ernest Orland Rawrence)1901 年，美国。回旋加速器的发明者、1939 年诺贝尔物理学奖得主、核物理与加速器科学的奠基人。
第一台原型直径仅11 厘米，可将质子加速到约1.2 MeV。为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.
426英亩≈172万平米
1、回旋加速器：用磁场约束粒子做圆周运动，配合高频交变电场在半圆间隙反复加速，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。
③D形盒间窄缝：带电粒子在窄缝间被电场加速。
④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。
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：
（2）粒子最大动能： （离开半径与D形盒半径相同）
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
（3）加速次数： 每次加速获得能量qU, 最大能量Ekm
则Em＝nqU0，解得
粒子做圆周运动的总时间
（4）加速时间：
粒子电场中加速的总时间
一般忽略粒子在狭缝电场中加速的时间
（5）回旋半径：
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.电场一个周期中方向变化两次4.电场加速过程中,时间极短,可忽略5.交变电源的周期 = 粒子圆周运动的周期6.粒子能量上限由磁场 B 和 D 形盒半径 R 决定7.同一粒子加速次数和加速时间由电压、磁场和盒的半径共同决定
回旋加速器不可无限加速。粒子速度v接近光速c时，质量明显变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
美国伯克利 88 英寸回旋加速器：早期大型回旋，用于核物理研究；中国原子能院 100 MeV 质子回旋：直径 6.16 米、重 435 吨，是国际上最大的紧凑型强流质子回旋，但尺寸远小于 TRIUMF；
加拿大 TRIUMF 520 MeV 回旋加速器尺寸最大。整机直径 18 米，磁体重达 4000 吨（6 段组合的风车状磁铁）；真空室为 18 米直径的对开式不锈钢结构，工作真空达 10⁻⁸ Trr；高频频率 23 MHz。加速负氢离子（H⁻），剥离电子后输出质子束，能量范围 70–520 MeV，粒子速度达光速的 75%；可同时引出 4 束独立光束，用于稀有同位素制备、医用同位素生产、质子治疗、材料辐照测试等。
中国原子能院 100 MeV 质子回旋
例4、回旋加速器工作原理如图1，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＝ 。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。
(1)粒子的速度增大轨道半径增大，当粒子的轨道半径等于D形金属盒半径为R时，粒子的动能最大，根据此时洛伦兹力提供向心力即可求得最大速度。
离子在磁场中做匀速圆周运动：
（2）粒子运动存在于两个空间，一是狭缝间电场力使之做匀加速运动，二是D形金属盒中洛伦兹力使之做匀速圆周运动。粒子在狭缝间的运动可等效成连续的匀加速直线运动，根据最大动能可求得加速的时间；根据最大动能可求得加速的次数，从而求得粒子做完整圆周运动的次数，进而求得粒子圆周运动的时间。
所以粒子运动的总时间：
设粒子被加速n次达到动能Em
粒子在狭缝间的运动可等效成匀加速直线运动，设n次经过狭缝的总时间为Δt
例6、中国原子能科学研究院从1988年开始研究，经过艰苦卓绝的努力，于1996年自主研发出第一台回旋加速器。下列关于回旋加速器工作原理的说法正确的是(　　)A．粒子只会在电场中加速，因此电压越大，粒子的最大动能越大B．粒子在磁场中只是改变方向，因此粒子的最大动能与磁感应强度无关C．粒子的最大动能与D形盒的半径有关D．若忽略电场中运动时间，且电压变化周期与粒子运动周期相等，粒子可以多次加速