质谱仪,回旋加速器

1、 质质 谱谱 仪和仪和 回回 旋旋 加加 速速 器器 一、质一、质 谱谱 仪仪具有相同核电荷数而不同质量数的原子互称同位素具有相同核电荷数而不同质量数的原子互称同位素，质谱仪是分离各种元素的同位素并测量它们质量质谱仪是分离各种元素的同位素并测量它们质量的仪器的仪器，它由静电加速器、速度选择器、偏转磁场，它由静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成，它的结构原理如图所示。、显示屏等组成，它的结构原理如图所示。返回返回 例例. 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素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，从离子源的重要工具，从离子源S产生质量为产生质量为m、电量为、电量为q的正

2、的正离子，其初速可视为零离子经过加速电压离子，其初速可视为零离子经过加速电压U加速后加速后垂直进入有界匀强磁场垂直进入有界匀强磁场(图中线框所示图中线框所示)，并沿着半圆，并沿着半圆周运动而到达照相底片上的周运动而到达照相底片上的P点，测得点，测得P点到进入磁点到进入磁场处的距离为场处的距离为x，写出此离子质量的计算式，写出此离子质量的计算式.UPBxS解：解：qUmv 221xqBmvr21rmvqvB2UdqBm822返回返回二、直线加速器二、直线加速器 由于电压的限制，所以一次加速后由于电压的限制，所以一次加速后粒子获得的能量较小，如何获得较大的粒子获得的能量较小，如何获得较大的能量呢？

3、能量呢？ qUqU=Ek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0Um UmU/vT2TU1234靶靶+直线加速器直线加速器 直线加速器有多个加速直线加速器有多个加速电场电场,从而能使带电粒子获得从而能使带电粒子获得更大的能量更大的能量.A 思考思考: 带电粒带电粒子穿越第子穿越第n个圆筒个圆筒时的动能为多大时的动能为多大?m mk kn nq qU UE E = =直线加速器直线加速器 北京正负电子对撞机改造后的直线加速器北京正负电子对撞机改造后的直线加速器 直线加速器可使粒子获得足够大直

4、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，又电粒子多次加速，获得较高能量，又尽可能减少占地长度呢？尽可能减少占地长度呢？ 二、回旋加速器二、回旋加速器结构：结构：两个两个 D 形金属扁盒形金属扁盒，在其上加有，在其上加有磁场和交变的电场。将一粒子置于磁场和交变的电场。将一粒子置于两个两个 D形盒的缝隙处。形盒的缝隙处。二、回旋加速器回旋加速器回旋加速器 回旋加速器回旋加速器 若若D形盒半径为形盒半径为R，磁感应强度，磁感应强度B.粒子最终速度：粒子最终速度：所获动能为所获动能为：提高加速粒子最后的能量的方法：提高加速粒子

5、最后的能量的方法： 增大磁感应强度增大磁感应强度B B 增大加速器的半径增大加速器的半径R R vm=qBR/mEk=1/2mvm2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径粒子回旋的周期不随半径改变。改变。让电场方向变化的让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一周期与粒子回旋的周期一致致，从而保证粒子始终被，从而保证粒子始终被加速。加速。 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 每一个周期每一个周期加速两次加速两次 电场的周

6、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 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直径为直径为10.2cm10.2cm的第一台回旋加速器。的第一台回旋加速器。 目前世界上最大的回旋加速器在美国费目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为米加速实验室，环形管道的半径为2公里。产公里。产生的高能粒子能量为生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。亿电子伏特。 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中

7、北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一心之一.1988.1988年年1010月月1616日，两束正负电子在北京西日，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，揭开了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。我国高能物理研究的新篇章。 例例.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 孔孔射出。求射出。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

8、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 Ud解：（解：（1）由）由 qvB=mv2 /RE=1/2mv2qR2mEB B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

9、E/q2 UB返回返回1.在匀强磁场内部的两电子在匀强磁场内部的两电子A和和B分别以速率分别以速率v和和2v垂直射人匀强磁场，经偏转后，哪个电子垂直射人匀强磁场，经偏转后，哪个电子先回到原来的出发点先回到原来的出发点A.同时到达同时到达B.A先到达先到达C.B先到达先到达D.无法判断无法判断2.一质子和一电子以相同的速度进入同一匀一质子和一电子以相同的速度进入同一匀强磁场，则两者强磁场，则两者A.轨道半径不同，回转方向不同轨道半径不同，回转方向不同B.轨道半径不同，回转方向相同轨道半径不同，回转方向相同C.轨道半径相同，回转方向不同轨道半径相同，回转方向不同D.轨道半径相同，回转方向相同轨道半

10、径相同，回转方向相同AA 5、有三束粒子，分别是质子、氚核和、有三束粒子，分别是质子、氚核和 粒子，如果粒子，如果它们以相同的速度沿垂直与磁场方向射入匀强磁场它们以相同的速度沿垂直与磁场方向射入匀强磁场中，如图所示，则正确表示这三束粒子运动轨迹的中，如图所示，则正确表示这三束粒子运动轨迹的是是BBBBH11H31H11H31H11H31H11H31ABCD 图为云室中某粒子穿过铅板前后的轨迹，室中匀强磁图为云室中某粒子穿过铅板前后的轨迹，室中匀强磁场的方向与轨迹所在平面垂直场的方向与轨迹所在平面垂直(图中垂直于纸面向里图中垂直于纸面向里)由此可知此粒子由此可知此粒子A一定带正电一定带正电 B一

11、定带负电一定带负电 C不带电不带电 D可能带正电，也可能带负电可能带正电，也可能带负电PA初速为初速为v0的电子，沿平行于通电长直导线的方向射出，的电子，沿平行于通电长直导线的方向射出，直导线中电流方向与电子的初始运动方向如图所示，则直导线中电流方向与电子的初始运动方向如图所示，则 ( ) A电子将向右偏转，速率不变电子将向右偏转，速率不变 B电子将向左偏转，速率改变电子将向左偏转，速率改变 C电子将向左偏转，速率不变电子将向左偏转，速率不变 D电子将向右偏转，速率改变电子将向右偏转，速率改变v0-e左左右右A返回返回19如图所示，正方形区域如图所示，正方形区域abcd中充满匀强磁场，磁场方中

12、充满匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一个氢核从向垂直纸面向里。一个氢核从ad边的中点边的中点m沿着既垂直于沿着既垂直于ad边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从ab边中点边中点n射出磁场。若将磁场的磁感应强度变为原来的射出磁场。若将磁场的磁感应强度变为原来的2倍倍.其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是（ ）A在在b、n之间某点之间某点B在在n、a之间某点之间某点Ca点点D在在a、m之间某点之间某点2004年北京年北京理综理综19adcbmnBvC返回返回 如图，在如图，在x0,y0的空间中有恒

13、定的的空间中有恒定的匀强磁场，磁感强度的方向垂直于匀强磁场，磁感强度的方向垂直于Oxy平面向里，大平面向里，大小为小为B。现有一质量为。现有一质量为m、电量为电量为q 的带电粒子，在的带电粒子，在x轴上到原点的距离为轴上到原点的距离为x0的的P点，以平行于点，以平行于y轴的初速度轴的初速度射入此磁场，在磁场作用下沿垂直于射入此磁场，在磁场作用下沿垂直于y轴的方向射出此轴的方向射出此磁场。不计重力的影响。由这些条件可知，磁场。不计重力的影响。由这些条件可知， ( ) A不能确定粒子通过不能确定粒子通过y 轴时的位置轴时的位置 B不能确定粒子速度的大小不能确定粒子速度的大小 C不能确定粒子在磁场中

14、运动所经历的时间不能确定粒子在磁场中运动所经历的时间 D以上三个判断都不对以上三个判断都不对0404年春季理综年春季理综 2222x yOPx0BD返回返回 如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场的如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场的边界上，有两个质量和电量相同的正、负离边界上，有两个质量和电量相同的正、负离子，从点以相同的速度射入磁场中，射入子，从点以相同的速度射入磁场中，射入方向均与边界成方向均与边界成角，若不计重力，则正、负角，若不计重力，则正、负离子在磁场中：离子在磁场中：、运动的时间相同、运动的时间相同、运动的轨道半径相同、运动的轨道半径相同、重新回到边界时速度大小和方向都相同、重新回到边界时速度大