质谱仪、回旋加速器

结论：带电粒子垂直射入匀强
磁场时做匀速圆周运动。
小组讨论：通过课本100页“思考与讨论”得到带电粒 子垂直射入匀强磁场时做匀速圆周运动的轨道半径r、 周期T与粒子所带电量q、质量m、粒子的速度v、磁感 应强度B的具体数值关系
带电粒子垂直射入匀强磁场时做匀速圆 周运动的轨道半径r、周期T的表达式
1.半径：
这就是质谱仪的工作原理
阅读课本P101 思考下列问题 使利用加速电场对带电粒子做正 功使带电粒子的动能增加的装置 叫做加速器。
1.加速器的种类有哪些?
2.各自是如何实现对带电粒子加速的?
3.各有什么优缺点?
直线加速器
q U
1 2 mv qU 2
由于电压的限制，所以一次加速后粒子 获得的能量较小，如何获得较大的能量 呢？
3、保持初射电子的速度不变，改变磁感应强度大 小，电子束径迹的变化 4、保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度大 小，电子束径迹的变化
实验验证
电子束在不同情况下的径迹和变化：
1、不加磁场时，电子束的径迹 ：直线 2、给励磁线圈通电，电子束的径迹：圆 3、保持初射电子的速度不变，改变磁感应强度大 小，电子束径迹的变化：磁感应强度变大，圆的半 径变小；磁感应强度变小，圆的半径变大。 4、保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度大 小，电子束径迹的变化：速度变大，圆半径变大； 速度变小，圆半径变小。
交变电压的周期TE = 粒子在磁场中运动的周期TB
回旋加速器
问题4：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感 应强度为B，交变电压的电压为U，求：从出口 射出时，粒子的速度v=? 解： B 当粒子从D形盒出口飞 出时， 粒子的运动半径=D形 D 盒的半径
v=？
U
mv D qB 2
qBD v 2m
回旋加速器
1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变
2m T＝ qB
2.交变电场的周期和粒子的运动周期 T相同----保证粒子每次经过交变 电场时都被加速
3.带电粒子每经电场加速一次,回旋半径 就增大一次,每次增加的动能为
ΔE K＝qU
4.粒子加速的最大速度由盒的半径及磁感应 强度决定
qBD v 2m
洛伦兹力总与速度方向垂直，不改变带电粒子的速度大 小，所以洛伦兹力不对带电粒子做功。 由于粒子速度的大小不变，所以洛伦兹力大小也不改 变，加之洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了向 心力的作用。

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ



V -

F洛

带电粒子垂直射入匀强 磁场时，只在洛仑兹力 的作用下，电荷将作匀 速圆周运动。
在S1 S2间，电场力做功获得动 能 1 mv2 qU 2 可得： v 2qU m
以速度 v垂 直 进 入 磁 场 ,洛 仑 兹 力 提 供 向 心 力 v2 mv qvB m r r qB 1 代 入v可 得 ： r B 2m U q
可见半径不同 意味着比荷不同， 意味着它们是不同 的粒子
C
A．粒子从a到b，带正电 B．粒子从a到b，带负电 C．粒子从b到a，带正电 D．粒子从b到a，带负电
带电粒子在气泡室运动轨迹的照片
一、质谱仪原理分析
1、质谱仪:是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 2、工作原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一 电场加速再垂直进入同一匀强磁场，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含同位素 的种类
世界上最大、能量最高的粒子加速器 ——欧洲大型强子对撞机
世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究
在瑞士和法国边界地 区的地底实验室内，科学 家们正式展开了被外界形 容为“末日实验”的备受 争议的计划。他们启动了 全球最大型的强子对撞机 (LHC)，把次原子的粒子 运行速度加快至接近光速， 并将互相撞击，模拟宇宙 初开“大爆炸”后的情况。 科学家希望借这次实验， 有助解开宇宙间部分谜团。 但有人担心，今次实验或 会制造小型黑洞吞噬地球， 令末日论流言四起。
[问题]：判断下图中带电粒子（电量q，重力不计） 所受洛伦兹力的大小和方向：
带电粒子平行射入匀强磁场 带电粒子垂直射入匀强磁场
× × ×B× ×
F=0
v B
F=qvB
× × × × × × × × × × v + × × × × × × × × × ×
猜想：
1、匀速直线运动。 2、
匀速圆周运动。
理论探究：带电粒子垂直射入匀强磁场，为 什么做匀速圆周运动？
复习
［问题1］什么是洛伦兹力？
运动电荷在磁场中受到的作用力。
［问题2］带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？
不一定
［问题3］洛伦兹力的大小怎样计算？ 大小： F＝qvBsinα（α是V与B间的夹角） ［问题4］洛伦兹力的方向怎样判定？ 由左手定则
洛伦兹力垂直于ν与Β所在的平面
3.6 带电粒子在匀强 磁场中的运动
实验 验证：
洛伦兹力演示器
作用是能在两线 圈之间产生平行 于两线圈中心的 连线的匀强磁场
励磁线圈
电 加速电压 选择挡 作用是改变 电子束出射 的速度 磁场强弱选择挡 子 枪
小组讨论
根据教材洛伦兹力的知识，预测电子束在不同 情况下的径迹：
1、不加磁场时，电子束的径迹
2、给励磁线圈通电，电子束的径迹
美国费米实验室加速器鸟瞰图
北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘
大科学装置的存在和应用水 平，是一个国家科学技术发展的 具象。它如同一块巨大的磁铁， 能够集聚智慧，构成一个多学科 阵地。作为典型的大科学装置， 北京正负电子对撞机的重大改造 工程就是要再添磁力。 北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名， 为示范之作。1988年10月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被 形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后， 在高科技领域又一重大突破性成就”。北京正负对撞机重大改 造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代”，继续立在 国际高能物理的前端。 北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上 最先进的双环对撞机之一。
2r mv 根据 T 结合 r v qB 2m 可知 T qB
回旋加速器
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不 是分别接在高频交流电源的两极上，而是接 在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？ 请在图中画出粒子的运动轨迹。
回旋加速器
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电 极上加一个 交变 电压。 根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加 速，提供的电压应符合怎样的要求？
直线加速器（多级加速）
q (U1 U 2 U n ) E K
直线加速器占有的空间范围大，在 有限的空间内制造直线加速器受到一定 的限制。
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器
斯 坦 福 大 学 的 加 速 器
多级直线加速器有什么缺点？
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，获得较高能量， 又尽可能减少占地长度呢？
这项实验在深入地底100米、长达27公里的环型隧道内进行。科学家预计， 粒子互相撞击时所产生的温度，比太阳温度还要高10万倍，就好比137亿年前宇 宙发生大爆炸时那一剎那的情况。
v Bqv m r
2
mv r Bq
2r 2m T v Bq
可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关
2.周期：
周期T与运动速度及运动半径无关
例1：一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向 射入一匀强磁场．粒子的一段径迹如下图所 示．径迹上的每一小段都可近似看成圆．由 于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量 逐渐减小(带电量不变)．从图中情况可以确 定
回旋加速器
回旋加速器
1.结构：
① 两个 D 形盒及两个大磁极 ② D 形盒间的窄缝 ③ 高频交流电
1932年,美国物理学家劳仑斯发 明了回旋加速器，从而使人类在获 得具有较高能量的粒子方面迈进了 一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝 尔物理学奖．
回旋加速器
问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半 径都会增加，它的运动周期会增加吗?