1.4质谱仪与回旋加速器教学ppt课件（含视频）-（2019） 新人教版高中物理高二下学期选择性必修二.rar

质质 谱谱 仪与回仪与回 旋旋 加加 速速 器器一、回旋加速器一、回旋加速器 要认识原子核内部的情况，必须把核要认识原子核内部的情况，必须把核“打开打开”进行进行“观察观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只。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有用极高能量的粒子作为“炮弹炮弹”去轰击，才能把它去轰击，才能把它“打开打开”。产生高能。产生高能“炮弹炮弹”的的“工厂工厂”就是各种各样的就是各种各样的粒子加速器。粒子加速器。问题问题1：用什么方法可以加速带电粒子：用什么方法可以加速带电粒子? ?1、直线加速器、直线加速器 由于电压的限制，一次加速后粒子由于电压的限制，一次加速后粒子获得的能量较小，如何获得较大的能量获得的能量较小，如何获得较大的能量呢？呢？ qUqU=Ek问题问题2：怎样使一个带正电粒子获得更大的速度怎样使一个带正电粒子获得更大的速度(能量能量)? 采用多个电场采用多个电场,使带电粒子使带电粒子多级加速多级加速思考思考: 带电粒子带电粒子穿越第穿越第n个电场时个电场时的动能为多大的动能为多大?北京正负电子对撞机改造后的直线加速北京正负电子对撞机改造后的直线加速器为建设科技强国加速器为建设科技强国加速 1966年建成得的斯坦福大学的加速器管长斯坦福大学的加速器管长3050米米直线加速器可使粒子获得足够大的能量但它直线加速器可使粒子获得足够大的能量但它占地太长，能否既让带电粒子多次加速，获得占地太长，能否既让带电粒子多次加速，获得较高能量，又尽可能减少占地长度呢？较高能量，又尽可能减少占地长度呢？ 人们进一步思考:如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？而磁场正好能使带电粒“转圈圈”！于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器1932年年,美国物理学家美国物理学家 劳仑斯劳仑斯 发明了发明了 回旋加速器回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理诺贝尔物理学奖学奖 2、回旋加速器Dv=？UB（2）回旋加速）回旋加速器器a a、作用：产生高速运动的粒子、作用：产生高速运动的粒子b b、原理、原理 用磁场控制轨道、用交变电场进行用磁场控制轨道、用交变电场进行加速加速+-+-交变电场：交变电场：保证带电粒保证带电粒子每次经过子每次经过窄缝时，都窄缝时，都被加速。被加速。练：关于回旋加速器中电场和磁场的作练：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是用的叙述，正确的是( )A、电场和磁场都对带电粒子起加速作、电场和磁场都对带电粒子起加速作用用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在、磁场的作用是使带电粒子在D形盒形盒中做匀速圆周运动中做匀速圆周运动CD回旋加速器回旋加速器交变交变回旋加速器回旋加速器交变电场的周期交变电场的周期TE = 粒子在磁场中运动的周期粒子在磁场中运动的周期TB注：粒子在电场中加速的时间很短，所以忽略不计Dv=？UB解：解：当粒子从当粒子从D形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，粒子的运动半径粒子的运动半径=D形盒的半径形盒的半径回旋加速器回旋加速器Dv=？UB回旋加速器回旋加速器问题问题5：D越大，越大，EK越大，是不是只要越大，是不是只要D不断增大不断增大， EK 就可以无限制增大呢就可以无限制增大呢?回旋加速器回旋加速器实际并非如此例如：用这种经典的回旋加速器来加速实际并非如此例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到粒子，最高能量只能达到20MeV这是因为这是因为当粒子的速当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加速率增大而明显地增加，从而使，从而使粒子的回旋周期也随之粒子的回旋周期也随之变化变化，这就破坏了加速器的同步条件，这就破坏了加速器的同步条件为了获得更高能量的带电粒子，人为了获得更高能量的带电粒子，人们又继续寻找新的途径例如，设们又继续寻找新的途径例如，设法使交变电源的变化周期始终与粒法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致，于是就出子的回旋周期保持一致，于是就出现了同步回旋加速器除此之外，现了同步回旋加速器除此之外，人们还设计制造出多种其它的新型人们还设计制造出多种其它的新型加速器目前世界上最大的加速器加速器目前世界上最大的加速器已能使质子达到已能使质子达到10000亿亿eV(106MeV)以上的能量以上的能量在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期不变周期不变电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同周期相同-保证粒子每次经过交变电场保证粒子每次经过交变电场时都被加速时都被加速电场一个周期中方向变化电场一个周期中方向变化两次，两次，每一个每一个周期周期加速两次加速两次4.粒子粒子加速的最大速度由盒的半径决定加速的最大速度由盒的半径决定5.电场加速过程中电场加速过程中,时间极短时间极短,可忽略可忽略结论结论l 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一中心之一.1988.1988年年1010月月1616日，两束正负电子在北京日，两束正负电子在北京西郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭西郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭开了我国高能物理研究的新篇章。开了我国高能物理研究的新篇章。l 目前世界上最大的回旋加速器在美国目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为费米加速实验室，环形管道的半径为2公公里。产生的高能粒子能量为里。产生的高能粒子能量为5000亿电子亿电子伏特。伏特。 例 (多选)一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是() B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大 C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大 D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值 A B 答案:AB 日照科技馆外行像一个大的回旋加速器 问题情景问题情景： 一束质量为一束质量为m、电荷量为、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的的匀强磁场中，最后打到照相底片匀强磁场中，最后打到照相底片D上。上。（1）求粒子进入磁场时的速率。）求粒子进入磁场时的速率。（2）求粒子在磁场中运动的轨道半径。）求粒子在磁场中运动的轨道半径。 （3）粒子的比荷）粒子的比荷 可见半可见半径不同意味径不同意味着比荷不同着比荷不同，意味着它，意味着它们是不同的们是不同的粒子粒子这就是质谱仪的工作原理这就是质谱仪的工作原理19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖 -20 和氖 -22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。1 1、质谱仪构造、质谱仪构造: :二、质谱仪二、质谱仪2、工作原理工作原理:将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电电场加速场加速 进入同一进入同一 匀强磁场匀强磁场 ，由于粒子质量不同，由于粒子质量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类含同位素的种类3 3、质谱仪应用、质谱仪应用: :是测量带电粒子比荷和分析同位素的重要工是测量带电粒子比荷和分析同位素的重要工具具巩固训练巩固训练 1 1、质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工、质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源具，它的构造原理如图，离子源S S产生的各种不同正离子束产生的各种不同正离子束( (速度可看作为零速度可看作为零) )，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片，到达记录它的照相底片P P上，设离子在上，设离子在P P上的位置到入口处上的位置到入口处S S1 1的距离为的距离为x x，可以判断，可以判断 A A、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则x x越大，离子质量越大越大，离子质量越大 B B、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则x x越大，离子质量越小越大，离子质量越小 C C、只要、只要x x相同，则离子质量一定相同相同，则离子质量一定相同 D D、只要、只要x x相同，则离子的荷质比一定相同相同，则离子的荷质比一定相同 丁肇中（1936）祖籍中国山东省日照，美籍华裔物理学家。 丁肇中主要从事高能实验物理、基本粒子物理、量子电动力学、辐射与物质的相互作用等方面的研究。他最杰出的贡献是在1974年，与里希特各自独立地发现了J粒子。为此，他们共同获得了1976年诺贝尔物理学奖。?同学们，通过本节课的学习同学们，通过本节课的学习，你们的收获是什么，你们的收获是什么本课小结本课小结：有国 才有家 我们热爱自己的祖国作业：导学案回旋加速器回旋加速器两两D形盒中有形盒中有匀强磁场匀强磁场无电场，盒无电场，盒间缝隙有间缝隙有交变电场交变电场。电场使粒子加速，磁场使粒子回旋电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。粒子回旋的周期不随半粒子回旋的周期不随半径改变。径改变。让电场方向变化让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期的周期与粒子回旋的周期一致一致，从而保证粒子始终，从而保证粒子始终被加速。被加速。在科学研究和工业生产中，常需要将一束带在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物的粒子分开，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、质量不同的带方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？电粒子吗？问题： ？ 练：练：.回旋加速器的回旋加速器的D形盒的半径为形盒的半径为R，用来加速质量为，用来加速质量为m，带电量为，带电量为q 的质子，使质子由静止加速到能量为的质子，使质子由静止加速到能量为E 后，由后，由A 孔射出。求孔射出。求： （1）加速器中匀强磁场）加速器中匀强磁场B 的方向和大小。的方向和大小。 （2）设两）设两D形盒间的距离为形盒间的距离为d，其间电压为，其间电压为U，加速到上述，加速到上述 能量所需回旋周数能量所需回旋周数. （3）加速到上述能量所需时间）加速到上述能量所需时间(不计通过缝隙的时间）。不计通过缝隙的时间）。 A U d 解：（解：（1）由）由 qvB=mv2 /RE=1/2mv2B的方向垂直于纸面向里的方向垂直于纸面向里. （2）质子每加速一次，能量增加为）质子每加速一次，能量增加为qU，每周加速两次，每周加速两次， 所以所以 n=E/2qU （3）周期）周期T=2m / qB 且周期与半径且周期与半径r及速度及速度v 都无关都无关t = nT = E/2qU2m / qB = m E/q2 UB 返返回回 回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定哪些因素决定?观点观点1：认为：认为电场是用来加速的电场是用来加速的，磁场是用来回旋的磁场是用来回旋的，最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速电压越电压越高，粒子最终能量越高。高，粒子最终能量越高。对吗？对吗？观点观点2：运动半径最大运动半径最大Rm=mVm/qB,得得 Vm=qBRm/m 半径最大时，速度也应最大。半径最大时，速度也应最大。带电粒子的运动带电粒子的运动最大半径等于最大半径等于D形盒的半径形盒的半径时，粒时，粒子的速度达到最大。子的速度达到最大。对吗？对吗？?U,B.R还是其它 氘核和氘核和粒子，从静止开始经相同电场加速后，垂粒子，从静止开始经相同电场加速后，垂直进入同一匀强磁场作圆周运动直进入同一匀强磁场作圆周运动.则这两个粒子的则这两个粒子的 (1)动能之比为多少动能之比为多少? (2)轨道半径之比为多少轨道半径之比为多少? (3)周期之比为多少周期之比为多少?巩固训练巩固训练21:21:11:1