质谱仪回旋加速器

1、mq2vqUmv21S S221U 可得：可得：间，电场力做功获得能间，电场力做功获得能在在qmU2B1rvqmvrrvmqv,v2 可可得得：代代入入洛洛仑仑兹兹力力提提供供向向心心力力垂垂直直进进入入磁磁场场以以速速度度BB 可见半径不同可见半径不同意味着比荷不同，意味着比荷不同，意味着它们是不同意味着它们是不同的粒子的粒子这就是质谱仪的工作原理这就是质谱仪的工作原理一、质谱仪一、质谱仪原理分析原理分析1 1、质谱仪、质谱仪: :是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具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、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

2、的带电粒子经同一电场加速电场加速再垂直进入同一再垂直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含同位素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的种类质谱仪的两种装置质谱仪的两种装置带电粒子质量带电粒子质量m,电荷量电荷量q,由电压由电压U加速后垂直进加速后垂直进入磁感应强度为入磁感应强度为B的匀强磁场的匀强磁场,设轨道半径设轨道半径为为r,则有：则有：NUOMB221mvqU rmvqvB2 可得可得222rBUmq 带电粒子质量带电粒子质量m,电荷量电荷量q,以速度以速度v穿过速度选择穿过速度选择器器(电场强度电场

3、强度E，磁感应强度，磁感应强度B1),垂直进入磁感应强垂直进入磁感应强度为度为B2的匀强磁场的匀强磁场.设轨道半径为设轨道半径为r,则有：则有：MB2EB1NqE=qvB1rmvqvB22 可得：可得：rBBEmq21均可测定荷质比均可测定荷质比1.1.加速器的种类有哪些加速器的种类有哪些? ?2.2.各自是如何实现对带电粒子加速的各自是如何实现对带电粒子加速的? ?3.3.各有什么优缺点各有什么优缺点? ?阅读课本P101 思考下列问题思考下列问题1 1加速原理：加速原理： 利用加速电场对带电粒子做正功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。带电粒子的动能增加。二二. .加速器

4、加速器qUmv212 +U+2 2直线加速器（多级加速）直线加速器（多级加速） 如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图：二二. .加速器加速器直线加速器直线加速器粒子在每个加速电场中的运动时间相等，粒子在每个加速电场中的运动时间相等，因为交变电压的变化周期相同因为交变电压的变化周期相同多级直线加速器有什么缺点？多级直线加速器有什么缺点？直线加速器直线加速器 利用加速电场对带电粒子做正利用加速电场对带电粒子做正功功,使带电的粒子动能增加，使带电的粒子动能增加，即即 qU =Ek直线加速器的多级加速：直线加速器的多级加速： 教材图教材图3.6-5所示的是多级所示的是多级加速

5、装置的原理图，由动能定理可知，带电粒加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子经子经n级的电场加速后增加的动能，级的电场加速后增加的动能， Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）直线加速器占有的空间范围大，在有限的空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。间内制造直线加速器受到一定的限制。P1图图3.6-5多级加速器多级加速器P2P3P4P5P6一级一级二级二级三级三级n级级加速原理：加速原理：1932年年,美国物理学家劳仑斯发明了美国物理学家劳仑斯发明了从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了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

6、荣获了诺贝尔物理学奖一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖回旋加速器回旋加速器1 1、作用：产生高速运动的粒子、作用：产生高速运动的粒子2 2、原理、原理 用磁场控制轨道、用电场进行加速用磁场控制轨道、用电场进行加速+- +-不变无关、与TrvqBmT22DqBmv mqBDv2 2DqBmv 221mvEK mDBqEK8222 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?mDBqEK82222.交变电场的周期和粒子的运动周期交变电场的周期和粒子的运动周期 T相同相同-保证粒子每次经过交变保证粒子每次经过交变 电场时都

7、被加速电场时都被加速1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变粒子在匀强磁场中的运动周期不变 qBmT23.带电粒子每经电场加速一次带电粒子每经电场加速一次,回旋半径回旋半径 就增大一次就增大一次,每次增加的动能为每次增加的动能为qUEK4.粒子加速的最大速度由盒的半径决定粒子加速的最大速度由盒的半径决定周期与速度和轨道半径无关周期与速度和轨道半径无关带电粒子做匀速圆周运动的周期公式带电粒子做匀速圆周运动的周期公式 ,qBmT2 带电粒子的周期在带电粒子的周期在q、m、B不变的情况下与速度不变的情况下与速度和轨道半径无关。和轨道半径无关。 因而圆运动周长因而圆运动周长 qBmvr22 也将与也将与v

8、成正比例地增大，成正比例地增大， 如果其他因素如果其他因素(q、m、B)不变不变, 则当速率则当速率v加大时加大时,qBmvr 得知圆运动半径将与得知圆运动半径将与v成正比例地增大成正比例地增大,由由因此运动一周的时间（周期）仍将保持原值。因此运动一周的时间（周期）仍将保持原值。 最终能量最终能量粒子运动半径最大为粒子运动半径最大为D形盒的半径形盒的半径R带电粒子经加速后的最终能量：带电粒子经加速后的最终能量：由由qBmvR 有有 ,mqBRv 所以最终能量为所以最终能量为 mqRBmvEk2212222 讨论：要提高带电粒子的最终能量，应采取什讨论：要提高带电粒子的最终能量，应采取什么措施？

9、么措施？ 回旋加速器加速的带电粒子回旋加速器加速的带电粒子, 能量达到能量达到25 MeV 30 MeV后，就很难再加速了。后，就很难再加速了。 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 每一个周期加速两次每一个周期加速两次 电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同同 电场一个周期中方向变化两次电场一个周期中方向变化两次 粒子加速的最大速度由盒的半径决定粒子加速的最大速度由盒的半径决定 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.关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是：关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的

10、是：A、电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋、电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋B、电场和磁场同时用来加速带电粒子、电场和磁场同时用来加速带电粒子C、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由加速电压决定动能由加速电压决定D、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由磁感应强度动能由磁感应强度B决定和加速电压决定决定和加速电压决定(A)2回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分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两极相连接的两个是分别与高频交流电两极相连接

11、的两个D形金属盒，形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的匀强电场，使粒两盒间的狭缝中形成的周期性变化的匀强电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速两子在通过狭缝时都能得到加速两D形金属盒处于垂形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，设匀强磁场的直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，设匀强磁场的磁感应强度为磁感应强度为B，D形金属盒的半径为形金属盒的半径为R，狭缝间的距，狭缝间的距离为离为d，匀强电场间的加速电压为，匀强电场间的加速电压为U，要增大带电粒子，要增大带电粒子（电荷量为（电荷量为q质量为质量为m，不计重力）射出时的动能，则，不计重力）射出时的动能，则下列方法中正确的是：下列方法中

12、正确的是： ( )A增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压 B减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离C增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度 D增大增大D形金属盒的半径形金属盒的半径dRBU解：解：qBmvR mqBRv m)qBR(mvEk22122 C D北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘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，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，阵地。作为典型的大科学装

13、置，北京正负电子对撞机的重大改造北京正负电子对撞机的重大改造工程就是要再添磁力。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，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。为示范之作。1988年年10月月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被日凌晨实现第一次对撞时，曾被形容为形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，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。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造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代升级换代

14、”，继续立在，继续立在国际高能物理的前端。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，北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上将成为世界上最先进的双环对撞机之一最先进的双环对撞机之一。 世界上最大、能量最高的粒子加速器世界上最大、能量最高的粒子加速器欧洲大型强子对撞机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世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究中国参与研究 这项实验在深入地底这项实验在深入地底100米、长达米、长达27公里的环型隧道内进行。公里的环型隧道内进行。科学家预计，科学家预计，粒子互相撞击时所产生的温度，比太阳温度还要高粒子互相撞击时所产生

15、的温度，比太阳温度还要高10万倍，就好比万倍，就好比137亿年前宇亿年前宇宙发生大爆炸时那一剎那的情况。宙发生大爆炸时那一剎那的情况。 在瑞士和法国边界地在瑞士和法国边界地区的地底实验室内，科学区的地底实验室内，科学家们正式展开了被外界形家们正式展开了被外界形容为容为“末日实验末日实验”的备受的备受争议的计划。他们启动了争议的计划。他们启动了全球最大型的强子对撞机全球最大型的强子对撞机(LHC)，把次原子的粒子把次原子的粒子运行速度加快至接近光速运行速度加快至接近光速，并将互相撞击，模拟宇宙并将互相撞击，模拟宇宙初开初开“大爆炸大爆炸”后的情况。后的情况。科学家希望借这次实验，科学家希望借这次

16、实验，有助解开宇宙间部分谜团。有助解开宇宙间部分谜团。但有人担心，今次实验或但有人担心，今次实验或会制造小型黑洞吞噬地球，会制造小型黑洞吞噬地球，令末日论流言四起。令末日论流言四起。四、霍尔效应四、霍尔效应 1879 1879年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。四、霍尔效应四、霍尔效应quBf 如图，导电板高度为如图，导电板高度为b b厚度为厚度为 d d放在垂

17、直于它的磁场放在垂直于它的磁场B B中。中。当有电流当有电流I I通过它时，由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转，通过它时，由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转，结果在结果在 A A、A A 两侧分别聚集了正、负电荷，在导电板的两侧分别聚集了正、负电荷，在导电板的A A、A A 两侧会产生一个电势差两侧会产生一个电势差U U。设导电板内运动电荷的平均定向速率为设导电板内运动电荷的平均定向速率为u u，它们在磁场中受到的洛仑兹力为：，它们在磁场中受到的洛仑兹力为：当导电板的当导电板的A A、A A 两侧产生电势差后，两侧产生电势差后，运动电荷会受到电场力：运动电荷会受到电场力：qbUEqF导电板内电

18、流的微观表达式为：导电板内电流的微观表达式为：ubdnqnqsuI)(由以上各式解得：由以上各式解得：dIBnqU1其中其中 叫叫霍尔系数霍尔系数nqK1 例例1212、霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电子与洛仑兹力达到平衡时，对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电子与洛仑兹力达到平衡时，导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I I是由电子的定向流动形是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为成的，电子的平均定向速度为v v，电量为，电量为e e。回答下列问题：。回答下列问题： （1 1）达到稳定状态时，导体板上侧面）达到稳定状态时，导体板上侧面A A的电势的电势_下侧面的电势下侧面的电势（填高于、低于或