【課件】質(zhì)譜儀與回旋加速器

第一章

安培力與洛倫茲力4.質(zhì)譜儀與回旋加速器

在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識(shí)，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的回旋加速器直徑長(zhǎng)達(dá)2km，回旋加速器的直徑為什么要這么大呢？了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。1.經(jīng)歷質(zhì)譜儀工作原理的推理過程，體會(huì)邏輯推理的思維方法。（科學(xué)思維）2.了解回旋加速器面臨的技術(shù)難題，體會(huì)科學(xué)與技術(shù)之間的相互影響。（科學(xué)思維）

體會(huì)課堂探究的樂趣，汲取新知識(shí)的營(yíng)養(yǎng)，讓我們一起吧！進(jìn)走課堂一、質(zhì)譜儀1.用途：質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素(測(cè)比荷）的工具質(zhì)譜儀原理2.質(zhì)譜儀的原理...................................................................+-速度選擇器照相底片質(zhì)譜儀的示意圖【理論分析】【例1】設(shè)一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng),其初速度幾乎為零,然后經(jīng)過S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,最后打到底片D上.求：(1)求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率；(2)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑?？梢姲霃讲煌瑒t比荷不同，就意味著它們是不同的粒子。解析：引入：直線加速器二、回旋加速器的原理缺陷：直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)n極電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能為：1.回旋加速器的發(fā)明1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對(duì)帶電粒子進(jìn)行多級(jí)加速。勞倫斯第一臺(tái)回旋加速器(1)兩個(gè)D形盒及兩個(gè)大磁極(2)D形盒間的窄縫(3)高頻交流電2.回旋加速器的結(jié)構(gòu)3.回旋加速器的原理（1）電場(chǎng)的作用：使粒子加速（2）磁場(chǎng)的作用：使粒子回旋（3）交變電壓：保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速【互動(dòng)探究】粒子不斷加速，它的速度和半徑都在不斷增大，為了滿足同步條件，電源的頻率也要相應(yīng)發(fā)生變化嗎？

不需變化，因?yàn)閹щ娏Ｗ釉趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期T=，與運(yùn)動(dòng)速率無(wú)關(guān)?；匦铀倨鞯脑矸治?.帶電粒子的最終能量當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最大，由半徑公式得若D形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動(dòng)能可見，帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無(wú)關(guān)，只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B

和D形盒半徑R

有關(guān)?！净?dòng)探究】根據(jù)D越大，EK越大，是不是只要D不斷增大，EK

就可以無(wú)限制增大呢?實(shí)際并非如此。這是因?yàn)楫?dāng)粒子的速率大到接近光速時(shí)，按照相對(duì)論原理，粒子的質(zhì)量將隨速率增大而明顯地增加，從而使粒子的回旋周期也隨之變化，這就破壞了加速器的同步條件?！纠?】1932年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是(

)A．帶電粒子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B．帶電粒子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C．電場(chǎng)使帶電粒子加速，磁場(chǎng)使帶電粒子旋轉(zhuǎn)D．離子從D形盒射出時(shí)的動(dòng)能與加速電場(chǎng)的電壓無(wú)關(guān)D三、帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)例1．電磁流量計(jì)(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，導(dǎo)電液體在管中向左流動(dòng)，導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負(fù)離子)在洛倫茲力的作用下橫向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢(shì)差，形成電場(chǎng)。(2)原理：當(dāng)自由電荷所受的電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、b間的電勢(shì)差就保持穩(wěn)定，即：所以因此液體流量2．霍爾效應(yīng)：(1)定義：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差（霍爾電壓），其原理如圖所示。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電勢(shì)差U、電流I和B的關(guān)系為式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù)(2)電勢(shì)高低的判斷：如圖，金屬導(dǎo)體中的電流I向右時(shí)，根據(jù)左手定則可得，金屬中的自由電子受到的洛倫茲力方向向上，電子在上表面聚集，因此下表面A′的電勢(shì)高。(3)霍爾電壓的推導(dǎo)：導(dǎo)體中的自由電荷(電子)在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，A、A′間出現(xiàn)電勢(shì)差，當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時(shí)，A、A′間的電勢(shì)差(U)就保持穩(wěn)定I＝nqvS，S＝hd聯(lián)立得式中的比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)．一.質(zhì)譜儀二.回旋加速器由：得：

1.條件：

2.粒子能量：1.（多選）如圖所示是質(zhì)譜議的工作原理示意圖。帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后，進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。下列表述正確的是（）A．質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B．速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外C．能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BD．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小ABC2.（多選）如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并分別與高頻電源相連。現(xiàn)分別加速氘核(H)和氦核(He)。下列說法中正確的是(

)

A．它們的最大速度相同B．它們的最大動(dòng)能相同C．它們?cè)贒形盒中運(yùn)動(dòng)的周期相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動(dòng)能AC3.質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為＋e的正電子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求：（1）粒子射出加速器時(shí)的速度v為多少？（2）速度選擇器的電壓U2為多少？（3）粒子在B2磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？解析：（1）在a中，e被加速電場(chǎng)U1加速，由動(dòng)能定理有，得（2）在b中，e受的電場(chǎng)力和洛倫茲力大小相等，即，代入v值得（3）在c中，e受洛倫茲力作用而做圓周運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)半徑，代入v值得4.回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為