1.4质谱仪和回旋加速器

1.1 磁场对通电导线的作用力

【学习目标】

1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。

2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。

【学习重点】

知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。

【学习难点】

知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。

【学习过程】

一、自主预习

（一）、质谱仪

1．质谱仪的结构原理

（1）.质谱仪的组成

由粒子源容器、电场、磁场和底片组成。

（2）.质谱仪的用途

质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了的存在。质谱仪是测量带电粒子的和分析的重要工具。

（二）、回旋加速器

1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点?

2.参照课本回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。

自我检测

1.正误判断。

(1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。()

(2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。(3)回旋加速器能把粒子加速到光速。()

2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是()

A.粒子一定带正电

B.粒子一定带负电

C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大

D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小

3.关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述,正确的是()

A.电场和磁场都对带电粒子起加速作用

B.电场和磁场是交替地对带电粒子做功的

C.只有电场对带电粒子起偏转作用

D.磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动

二、探究学习

问题情境一

如图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大?

知识归纳

1.带电粒子运动分析

2.质谱仪区分同位素

实例引导

例1如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A 下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是()

A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚

B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕

C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚

D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕

变式训练1 (多选)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。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过

的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是()

A.质谱仪是分析同位素的重要工具

B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外

C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于

D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子

的比荷越小

回旋加速器

问题情境二

下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,交变电流的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量为m,电荷量为q,请思考:

(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能的增加量是多少?

(2)对交流电源的周期有什么要求?

(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?

知识归纳

1.粒子被加速的条件

交流电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期。

2.粒子最终的能量

3.提高粒子最终能量的措施

4.粒子被加速次数的计算

5.粒子在回旋加速器中运动的时间

实例引导

例2 (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()

A.D形盒之间交变电场的周期为2πm

qB

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

变式训练2(多选)如图所示,回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置,其核心部分是两个D形金属盒,置于匀强磁场中,两盒分别与高频电源相连。下列说法正确的有()

A.粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大

B.粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大

C.高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定

D.粒子从磁场中获得能量

随堂检测

1.若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示,则下列相关说法正确的是()

A.该束带电粒子带负电

B.速度选择器的P1极板带负电

C.在B2磁场中运动半径越大的粒子,比荷q/m 越小

D.在B2磁场中运动半径越大的粒子,质量越大

2.(多选)回旋加速器原理如图所示,由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是()

A.粒子由加速器的中心附近进入加速器

B.粒子由加速器的边缘进入加速器

C.粒子从磁场中获得能量

D.粒子从电场中获得能量

3.(多选)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,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看为零),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P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x,可以判断()

A.若离子束是同位素,则x越大,离子质量越大

B.若离子束是同位素,则x越大,离子质量越小

C.只要x相同,则离子质量一定相同

D.只要x相同,则离子的比荷一定相同

4.(多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置,其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,下列说法正确的是()

A.增大匀强电场间的加速电压

B.增大磁场的磁感应强度

C.减小狭缝间的距离

D.增大D形金属盒的半径

【学习反思】

【作业布置】