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课件网) 第 节 4 质谱仪与回旋加速器 高中物理 选择性必修第二册 第一章 学习目标 1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 2.经历质谱仪工作原理的推导过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。 引入 1、带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件： 粒子垂直进入匀强磁场 粒子只受洛伦兹力 2、规律： 洛伦兹力充当向心力 3、重要结论： 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？ 思考 1. 质谱仪 质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 一、质谱仪 2. 质谱仪的构造 质谱仪主要由以下几部分组成： ① 带电粒子注入器 ② 加速电场 ( U ) ③ 速度选择器 ( B1、E ) ④ 偏转磁场 ( B2) ⑤ 照相底片 3. 质谱仪的工作原理 （1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即 （2）在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE，即 粒子才能通过速度选择器。 （3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： （4）在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r （5）联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为 （6）由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。 3. 质谱仪的工作原理 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。 例 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 D 二、回旋加速器 在图 1.4-2 所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从 P2 飞向 P3、从 P4 飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。 要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器 1. 回旋加速器的发明 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。 劳伦斯 第一台回旋加速器 二、回旋加速器 二、回旋加速器 2. 回旋加速器的工作原理 利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件 ——— 两个 D 形盒和其间的窄缝内完成。 二、回旋加速器 （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，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、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。 2. 回旋加速器的工作原理 二、回旋加速器 （3）交变电场的作用及变化周期 为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，需在窄缝两侧加上跟带电 ... ...
