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课件网) 1.原理图:如图所示。 必备知识 清单破 4 质谱仪与回旋加速器 知识点 1 质谱仪 2.加速:带电粒子进入质谱仪的加速电场,由动能定理得qU= mv2。 3.偏转:带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力:qvB= 。 4.结论 r= 。测出粒子的轨迹半径r,可算出粒子的质量m或比荷 。 5.应用:可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 知识拓展 由于从容器A下方小孔进入加速电场的带电粒子实际上有一定的初速度,会使直 接进入偏转磁场的带电粒子的速度不同,从而带来测量误差。为使进入偏转磁场的带电粒子 的速度更唯一,测量更准确,现在的质谱仪在S2与S3之间增加了速度选择器,能通过速度选择器 的带电粒子具有相同的速度。在速度选择器中,能通过的带电粒子在电场力和洛伦兹力的作 用下平衡,做匀速直线运动,有qE=qvB1,则v= 。 1.构造图:如图所示。 2.核心部件:两个D形金属盒。 3.原理:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同,粒子每经过一次加速,其 知识点 2 回旋加速器 轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期不变。 4.最大动能:由qvB= 和Ek= mv2得Ek= (R为D形盒的半径),即粒子在回旋加速器中获 得的最大动能与q、m、B、R有关,与加速电压无关。 导师点睛 磁场、电场的作用 (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时,只在洛伦兹力作用下做 匀速圆周运动,其中周期与速率和半径无关。带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间 (半个周期)后,平行于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,速度变大。 知识辨析 1.如果一束带电粒子的电荷量q和速度v均相同,而质量m不同,能用匀强磁场把它们分开吗 2.粒子在回旋加速器中加速,获得的动能为Ek=nqU,粒子获得的最大动能可以通过增大加速 电压U来实现吗 3.只要回旋加速器足够大,带电粒子就能一直加速吗 一语破的 1.能。由r= 可知,带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关,如果q、v相 同,m不同,则r不同,这样就可以把不同的粒子分开。 2.不可以。粒子射出回旋加速器时速度最大,动能最大,粒子在回旋加速器中获得的最大动能 Ekm= ,与加速电压无关。增大加速电压会使加速次数减少。 3.不能。按照狭义相对论,粒子的质量随着速度的增加而增大,而质量的变化会导致其回转周 期的变化,从而破坏了与电场变化周期的同步,故不能一直加速。 质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。现以下图为例说明其结构和 工作原理。 关键能力 定点破 定点 1 质谱仪的工作原理 1.容器A中含有大量电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子,从下方小孔S1飘出时,这些带电粒子的初速度可认为都为零。 2.对某个质量为m、电荷量为q的带电粒子进行分析:经过S1和S2之间电势差为U的电场加速 后,由qU= mv2可求得其从S2射出时的速度为v= 。粒子进入偏转磁场后,在洛伦兹力作 用下做匀速圆周运动。由qvB= 可求得其轨迹半径r= ,将v= 代入可得r= 。 。 (2)对质量有微小差别的同位素,因q相同、m不同,也可区别、分离出来。在底片上形成的若 干谱线状的细条,称为质谱线。 3.由r的表达式可知,电荷量相同而质量不同的带电粒子将沿不同轨迹做圆周运动,经过半个 圆周打在照相底片D上的不同位置,质量越大的带电粒子的轨迹半径越大,质量越小的轨迹半 径越小。 (1)如果已知q、U、B,又测出轨迹半径r,可求得带电粒子的质量m= ,或求得其比荷 = 典例 如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器,速度 选择器内匀强磁场的磁感应强度为B,匀强电场的电场强度为E。平板S上 ... ...
