1、1.4质谱仪与回旋加速器质谱仪与回旋加速器 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？知识回顾由：由：得：得：再由：再由： 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？知识回顾科学探究 在科学研究和工业生产中，常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。设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？U0LyU dm , q（1 1）先加速）先加速（2 2）再偏转）再偏转科学探究首先，同学们可能会想到前面学习过，电场中有这样一个情景。首先，同学们可能会想到前面学习
2、过，电场中有这样一个情景。由：由：得：得：由水平：由水平：由竖直：由竖直：得：得： 通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的，也就是说当显然是分不开的，也就是说当x等于板长等于板长L时，所有带电粒子都将从时，所有带电粒子都将从同一偏移位置同一偏移位置 离开偏转场。离开偏转场。电场加速电场加速由：由：得：得：U0Bm , q科学探究 那同学自然会想到，既然加速后的粒子在偏转电场中不能分离，那同学自然会想到，既然加速后的粒子在偏转电场中不能分离，磁场也能让带电粒子偏转，可不可以用磁场偏转来分离呢？磁场也能让带电粒子偏
3、转，可不可以用磁场偏转来分离呢？ 加速后的带电粒子垂直磁场左边界垂直进入磁场，洛伦兹力加速后的带电粒子垂直磁场左边界垂直进入磁场，洛伦兹力与速度垂直，刚好充当圆周运动的向心力，做匀速圆周运动。与速度垂直，刚好充当圆周运动的向心力，做匀速圆周运动。电场加速电场加速由：由：得：得：U0Bm , q科学探究磁场偏转磁场偏转由：由：得：得：得：得： 显然，根据显然，根据r这个表达式，这个表达式，B、U0一定时，不同比荷（一定时，不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。以分离。科学探究照相底片 当然，如果我们在磁场
4、的上边界适当当然，如果我们在磁场的上边界适当处放置一张感光底片，大量的不同带电粒处放置一张感光底片，大量的不同带电粒子打在照相底片的不同地方感光，通过测子打在照相底片的不同地方感光，通过测量感光点与入射点的距离就可以测出圆周量感光点与入射点的距离就可以测出圆周运动的半径运动的半径r，进而可以算出粒子的比荷，进而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的质量，这种仪器叫做）或算出粒子的质量，这种仪器叫做质谱仪。质谱仪。质谱仪电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器1.1.质谱仪质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的带电粒子的电荷量、轨道半电荷量、轨道半径确定其质
5、量的仪器。径确定其质量的仪器。照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径加速电场：使加速电场：使带电粒子带电粒子获得速度获得速度粒子速度选择粒子速度选择器：以相同速度器：以相同速度进入进入偏转磁场偏转磁场偏转磁场：偏转磁场：使不同使不同带电粒子带电粒子偏转偏转分离分离2.2.结构结构及作用及作用 ：电离室电离室：使：使中性中性气体电离气体电离，产生，产生带电粒子带电粒子原理图原理图加速电场加速电场速度选择器速度选择器3.3.原理：原理：在偏转磁场在偏转磁场中：中：质谱仪Eq=Bqv0 由于粒子的比荷不同，则做圆周运动由于粒子的比荷不同，则做圆周运动的半径也不同，因
6、此打到不同的位置。的半径也不同，因此打到不同的位置。 让某种中性气体分子在电离室A内被电离成离子，大量的电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U加速后，经S3孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线。质谱仪原理图原理图加速电场加速电场速度选择器速度选择器4.4.作用：作用：可测粒子的质量及比荷可测粒子的质量及比荷与已知粒子半径对比可发现未知的与已知粒子半径对比可发现未知的元素和元素和同位素同位素质谱仪弗朗西斯弗朗西斯阿斯顿阿斯顿 在在19世纪末，世纪末，英国物理学家汤姆孙英国物理学家汤姆孙的学生的学生“阿斯顿阿斯顿”就按照这样的想法设就按照
7、这样的想法设计了质谱仪，他用质谱仪发现了氖计了质谱仪，他用质谱仪发现了氖 20 和和氖氖 22，证实了，证实了化学中同位素的存在。现化学中同位素的存在。现在经过多次改进，质谱仪已经成为一种在经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是粒子物理科学研究十分精密的仪器，是粒子物理科学研究和分析同位素的重要工具。和分析同位素的重要工具。质谱仪科学探究 在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？阅读P17-18内容 1.单级单级加速器加速器Umq粒子获得的能量：粒子获得的能量：Ek=Uq缺点缺点: 受实际能达到的电压
8、限制受实际能达到的电压限制,所获能量并不太高所获能量并不太高 回旋加速器 由动能定理得带电粒子经由动能定理得带电粒子经n n极的电场加速后增加的动能为：极的电场加速后增加的动能为：.多级多级加速器加速器 缺点缺点：为了获得足够高能量，采用多级直线加为了获得足够高能量，采用多级直线加速器的加速装置要很长很长，所占空间太大。速器的加速装置要很长很长，所占空间太大。回旋加速器回旋加速器 这是我们北京正负电子对撞机俯视这是我们北京正负电子对撞机俯视图，蓝色的部分像个具大的图，蓝色的部分像个具大的“网球网球拍拍”，狭长的把手位置就是直线加速，狭长的把手位置就是直线加速器，足足有器，足足有202米长，北京
9、的正负电子米长，北京的正负电子对撞机是世界上几大高能加速器之一。对撞机是世界上几大高能加速器之一。回旋加速器 这是欧美的强子对这是欧美的强子对撞直线加速器达到几撞直线加速器达到几公里长度。公里长度。对撞机外景对撞机外景能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？回旋加速器Um , qB 进而我们会想到电场能让粒子加速，而磁场能让进而我们会想到电场能让粒子加速，而磁场能让粒子反反复复的转圈圈。如果我们让带电粒子在电场粒子反反复复的转圈圈。如果我们让带电粒子在电场中加速一次后，能转一圈回来被电场再接着加速，如中加速一次后，能转一圈回来被电场再接着加速，如此往复转圈式的被加速，不就能实现
10、多次加速又省地此往复转圈式的被加速，不就能实现多次加速又省地的想法了吗？的想法了吗？回旋加速器 于是，人们设计出了用磁场控制轨道，用电场于是，人们设计出了用磁场控制轨道，用电场进行加速的装置进行加速的装置,就是就是回旋加速器回旋加速器。 1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的器的“ “原子击破器原子击破器” ”，1932年建成世界第一台回旋年建成世界第一台回旋加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一的装置。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回旋加速器，致使
11、他在加利福尼亚州伯克利的系列回旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实验室成为世界物理学家参观学习的基地。辐射实验室成为世界物理学家参观学习的基地。回旋加速器 在二战美国研制原子弹期间，劳伦斯从事过用电磁在二战美国研制原子弹期间，劳伦斯从事过用电磁法分离铀法分离铀235，以及用加速器生产钚，以及用加速器生产钚239的实验的实验研究，为探寻获取美国首批原子弹的装料途径做出了研究，为探寻获取美国首批原子弹的装料途径做出了独特的贡献。到独特的贡献。到1948年，由劳伦斯建议制造的大型年，由劳伦斯建议制造的大型回旋加速器已能提供回旋加速器已能提供 粒子束、氘粒子束和质子束。同粒子束、氘粒子束和质子
12、束。同年初，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的年初，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV 粒子找到了介子，不久美国即开始建造第粒子找到了介子，不久美国即开始建造第一座一座 介子工厂。从此，开创了一个高能物理的新时代。介子工厂。从此，开创了一个高能物理的新时代。由于劳伦斯的倡议和推动，美国加利福尼亚大学建造由于劳伦斯的倡议和推动，美国加利福尼亚大学建造了一台了一台6GeV高能质子同步稳相加速器。物理学家们在高能质子同步稳相加速器。物理学家们在这台巨型加速器上进行高能物理研究，完成了一系列这台巨型加速器上进行高能物理研究，完成了一系列重大发现。重大发现。回旋加速器 世界上第一台回旋加
13、速器 （劳伦斯劳伦斯）回旋加速器 这就是世界上第一台回旋加速器（这就是世界上第一台回旋加速器（4.5英英寸），是寸），是1931年由美国加利福尼亚州伯克利加年由美国加利福尼亚州伯克利加州大学劳伦斯跟他人合作研制完成，结构原理州大学劳伦斯跟他人合作研制完成，结构原理可以简化为下面这张图，回旋回速器是由两个可以简化为下面这张图，回旋回速器是由两个D1 1和和D2 2的中空的半圆形金属盒组成，两盒之间的中空的半圆形金属盒组成，两盒之间接有交流电源，用于加速带电粒子。两个半圆接有交流电源，用于加速带电粒子。两个半圆形盒处于匀强磁场形盒处于匀强磁场B中，用于回旋带电粒子，中，用于回旋带电粒子，实现多次加
14、速功能。实现多次加速功能。回旋加速器 粒子的回转周期粒子的回转周期会变化吗？会变化吗？粒子圆周运动的半径和速度的关系粒子圆周运动的半径和速度的关系:z.x.x.k不变不变讨论讨论：回旋加速器中磁场的磁感应强度为回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的形盒的半径为半径为，用该，用该回旋加速器加速质量为回旋加速器加速质量为m、电量为、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为的粒子，设粒子加速前的初速度为零。求：零。求：回旋加速器 讨论：为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？回旋加速器 由于粒子在由于粒子在D型盒内每回旋半圈，型盒内每回旋半圈
15、，进入盒缝间就需要加速一次，因此类进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器一样，电场方向似于多级直线加速器一样，电场方向应该是变化的，所以我们需要在应该是变化的，所以我们需要在D形形盒缝隙间接上交流电源，以便产生方盒缝隙间接上交流电源，以便产生方向变化的电场。向变化的电场。 讨论：你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是什么呢？回旋加速器 带电粒子，在磁场中回旋半周，加速一次，需要电场变化一次方向。虽然带电粒子加速后，速度发生变化，在磁场中回旋半径 发生变化，但带电粒子在磁场中运动的周期 跟速度无关，也就是说只要每隔固定的时间变化一次电场方向就能保证每次都能隔固定的时间 变
16、化一次电场方向就能保证每次带电粒子到达盒缝间都能再次被加速。电场变化两次方向为一个完整周期，因此只要保证电场变化的周期 就可以实现稳定的持续的加速回旋过程。带电粒子到达盒缝间 1. 1. 变化电场变化电场持续加速持续加速条件：条件： 回旋加速器 2. 2. 讨论：在我们分析带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？回旋加速器 因为两个因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在子在D形盒中经过半周的回旋时间远远大于加速形盒中经过半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。时间，因此可以忽略缝间加速时间。 讨论： 回旋加速器
17、加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期? 需要，需要，因为带电粒子的回旋周期因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，而电场的变化周期应该等跟比荷有关，而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。于带电粒子的回旋周期。回旋加速器 讨论： 某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？回旋加速器 能量显然是不能无限增大的，因为带电粒子加速能量显然是不能无限增大的，因为带电粒子加速后随速度增大，回旋的半径也会增大，这个半径是不能超过后随速度增大，回旋的半径也会增大，这个半径是不能超过D D形形盒半径的，否则粒子会在回旋过程中撞到盒壁上。也就是说当带盒半径的，否则粒子
18、会在回旋过程中撞到盒壁上。也就是说当带电粒子的回旋半径接近电粒子的回旋半径接近D D形盒半径时，就要通过其它方法，把加形盒半径时，就要通过其它方法，把加速后的带电粒子引出回旋加速器，结束加速的过程。因此带电粒速后的带电粒子引出回旋加速器，结束加速的过程。因此带电粒子的能量是不能无限增大的。子的能量是不能无限增大的。 已知已知D形盒的直径为形盒的直径为D，匀强磁场的磁感匀强磁场的磁感应强度为应强度为B，交变电压的电压为交变电压的电压为U，求：从出口射出时，粒子的速度求：从出口射出时，粒子的速度v=？z.x.x.k粒子最后出加速器的速度大小由粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径、磁场、粒子比荷决定
19、。盒的半径、磁场、粒子比荷决定。回旋加速器 已知已知D形盒的直径为形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为匀强磁场的磁感应强度为B，交变电交变电压的电压为压的电压为U，求：求：（1）从出口射出时，粒子的最终动能）从出口射出时，粒子的最终动能Ekmax=？（2）要增大某粒子（要增大某粒子（m、q确定）确定）的最大动能可采取哪些措施？的最大动能可采取哪些措施？回旋加速器回旋加速器 讨论： 通过增大盒内磁感应强度或无限增大D形盒半径，能否无限增大带电粒子的能量？ 实际上回旋回速器加速的带电粒子，能量达到实际上回旋回速器加速的带电粒子，能量达到25至至30MeV以后，就很难再增加了，原因是，按照我们在必
20、修以后，就很难再增加了，原因是，按照我们在必修2 2中学习的中学习的相对论知识，粒子质量会随速度增加而增加，质量的增加会导相对论知识，粒子质量会随速度增加而增加，质量的增加会导致回旋周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步，不能致回旋周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步，不能再持续加速。再持续加速。思考：粒子每次加速获得的动能是多少？思考：粒子共加速次数N？回旋加速器思考：粒子一个周期加速几次？2次思考：粒子转动的圈数n？思考：粒子在加速器运动总时间t？回旋加速器科学态度和责任超导回旋加速器 这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。美国费米实验室 目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。科学态度和责任电场对带电粒子的作用磁场对带电粒子的作用小 结小 结 一. 质谱仪 二. 回旋加速器由：12mUrBq得：228qUmB D 1.条件： 2 mTTqB电磁 2.粒子能量：2222122kq B rEmvm
