物理选择性必修 第二册质谱仪与回旋加速器教学ppt课件

这是一份物理选择性必修 第二册质谱仪与回旋加速器教学ppt课件，共16页。PPT课件主要包含了质谱仪，回旋加速器，第四节作业评讲等内容，欢迎下载使用。
回顾：写出以下仪器的原理表达式
精密测量带电粒子质量和分析同位素（测荷质比）的仪器 。
弗朗西斯·阿斯顿1877年9月1日出生于英国伯明翰。 1894年，他在梅森学院（后并入伯明翰大学）开始大学生活，师从约翰·亨利·波因廷学习物理，师从弗兰克兰和威廉·蒂尔登学习化学。 1909年，阿斯顿成为伯明翰大学讲师。一年后，受J·J·汤姆孙的邀请，转投剑桥大学卡文迪许实验室。第一次世界大战爆发后，他的研究被迫中断，期间被征募为皇家空军服务。 1919年，他重回实验室，继续对氖的同位素进行研究。很快，他成功研制了第一台质谱仪，并相继制出性能更高的第二和第三部。借助这些具备电磁聚焦性能的质谱仪，他鉴别出至少212种天然同位素。通过对大量同位素的研究，他阐述了“整数法则”，即：除了氢以外的所有元素，其原子质量都是氢原子质量的整数倍。
2．质谱仪工作原理(1)加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：________________。(2)偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，由______力提供向心力得：______＝m，联立解得：r＝_______，如果测出半径，就可以判断带电粒子比荷的大小，如果测出半径且已知电荷量，就可求出带电粒子的质量。3．应用：测量带电粒子的________和分析____________的重要工具。
例1：利用质谱仪可以分析碘的各种同位素。如图所示，电荷量相同的带正电的131I与127I从容器A下方的小孔S1进入加速电场(初速度不计)，经电场加速后从小孔S2射出，进入垂直纸面的匀强磁场中，最后打在照相底片D上。下列说法正确的是(　　)
A．磁场的方向垂直纸面向里B．打在b处的是127IC．127I在磁场中运动速度更大D．131I在磁场中运动时间更长
例2：如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直，已知甲离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙离子在MN的中点射出；MN长为l，不计重力影响和离子间的相互作用。求：(1)磁场的磁感应强度大小；(2)甲、乙两种离子的比荷之比。
大型强子对撞器（Large Hadrn Cllider，LHC），是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。 LHC已经建造完成，北京时间2008年9月10日下午15：30正式开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。 2010年3月19日，世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC），这个预期的建造总额约为八十亿元美金的世界最大型强子对撞机成功地打破了自身于2009年12月份创造的纪录，成为全世界能量最强的对撞机。 2015年4月5日，经过约两年的停机维护和升级后，欧洲大型强子对撞机重新启动，正式开启第二阶段运行。
问题1、如何让带电粒子加速？
带电粒子初速度为0，将其加速到V需要多大的电压？
问题2、高压会产生哪些问题？如何解决？
容易使周围的空气电离变成导体，击穿电极板。
分级加速——直线加速器
优点：各级电压独立，低压分级加速。
缺点：级数太多，占用空间太大。
SLAC国家加速器实验室位于美国西海岸旧金山湾区南部的门洛帕克，占地约426英亩，成立于1962年，原名“斯坦福直线加速器中心（Stanfrd Linear Acceleratr Center）”，2008年10月改名为SLAC国家加速器实验室。 SLAC隶属美国能源部，具体由斯坦福大学负责运行管理。
问题3、如何解决直线加速器占用空间大的缺点？
利用磁场让粒子做圆周运动。
问题：要使粒子每次经过平行极板都 被加速，对平行极板间的电压 有何要求？
平行极板间的电压需周期性改变方向，且电压的周期与带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期相同。
与粒子的运动速度无关，对于同一粒子周期不变!
问题：粒子最终获得的速度与哪些因素有关？
与“D形盒”的半径R和磁感应强度B有关，与加速电压U无关。
费米国立加速器实验室（Fermi Natinal Acceleratr Labratry，缩写：Fermilab或 FNAL，简称费米国家实验室。），是隶属于美国能源部的一所美国国家实验室，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。
1．粒子被加速的条件交变电场的周期等于粒子在磁场中运动的周期T=______。2．粒子最终的能量粒子速度最大时的运动半径等于D形盒的半径，即rm＝R，又由____________知，vm＝______，则粒子的最大动能Ekm＝____________。
3．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n＝______(U是加速电压的大小)。4．粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t1，t1=____________在磁场中运动的时间为t2＝n·__＝______(n为加速次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为在回旋加速器中运动的时间近似等于t2。
例3：如图为回旋加速器的示意图，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。一质子从加速器的A处开始加速，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，不计粒子在电场中运动的时间。下列说法正确的是(　　)A．质子的最大速度为2πRfB．质子的最大动能为C．质子在磁场中运动的时间与U无关D．电压U越大，质子在电场中加速的次数越多
例4：回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax。求：(1)所加交流电源频率；(2)粒子离开加速器时的最大动能；(3)粒子被加速次数；(4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a，粒子在电场中加速的总时间。
4（质谱仪）、6（回旋加速器）8（特殊加速器器）9（静电分析器）P24 5（拼接磁场半径共线）P26 3（立体情景视角转换）
4.如图为质谱仪工作原理的示意图，不计重力的带电粒子M、N从S点由静止进入加速电场，经电压U加速后，从O 点垂直进入磁感应强度大小为B的匀强磁场，最后打在照相底片上。图中半圆形的虚线分别表示带电粒子M、N 所通过的路径，M、N粒子落点到O点的距离分别为l1、l2 ，则( )
6.如图为回旋加速器的工作原理示意图，两个D形盒的正中间有狭缝，狭缝宽度为d，狭缝之间存在匀强电场，电场强度大小为E 。两个半径为R的D形盒接上高频交流电，并处在匀强磁场中，在D_1的中心A 处有一个粒子源，它产生并发出比荷为k 的带正电粒子，粒子的初速度视为0，经加速后从D形盒的边缘以速度v 飞出，不计粒子重力，下列说法正确的是( )
8.如图为一种获得高能粒子的装置原理图，环形管内存在方向垂直于纸面、磁感应强度大小可调的匀强磁场（环形管的宽度非常小），质量为m、电荷量为q的带正电粒子可在环中做半径为R的匀速圆周运动。A、B 为两块中心开有小孔且小孔距离很近的平行极板，原来电势均为零，每当带电粒子经过A 板刚进入A、B之间时，A板电势升高到+U，B 板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得到加速，每当粒子离开B板时，A 板电势又降为零，粒子在电场中通过一次次加速使得动能不断增大，而在环形区域内，通过调节磁感应强度大小可使粒子运行半径R 不变。已知极板间距远小于R ，则下列说法正确的是( )
5.如图所示，空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场，已知左侧匀强电场的电场强度大小为E，方向水平向右，宽度为L ；中间区域匀强磁场的磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向外；右侧匀强磁场的磁感应强度大小也为B ，方向垂直纸面向里。一个带正电的粒子（质量为m、电荷量为q、不计重力）从电场左边缘O 点由静止开始运动，穿过中间磁场区域进入右侧磁场区域后，又回到了O 点，然后重复上述运动过程，则中间磁场区域的宽度d和带电粒子从O点开始运动到第一次回到O点时所用的时间t 分别是 ( )
9. 如图为一种质谱仪的工作原理示意图，此质谱仪由以下几部分构成：粒子源、加速电场、静电分析器、磁分析器、收集器。加速电场的加速电压为U ；静电分析器通道中心线MN所在圆的半径为R ，通道内有均匀辐向电场，中心线处的电场强度大小相等；磁分析器中分布着方向垂直于纸面、磁感应强度大小为B 的匀强磁场，磁分析器的左边界与静电分析器的右边界平行。由粒子源发出一个质量为m的带电粒子b （所有粒子的初速度均为零，重力不计），经加速电场加速后进入静电分析器，沿中心线MN做匀速圆周运动，而后由P点进入磁分析器中，最终经过Q 点进入收集器（进入收集器时速度方向与O_2P平行），O_2、Q的距离为d 。下列说法正确的是( )