质谱仪与回旋加速器+高二下学期物理人教版（2019）选择性必修二

3/14/20251.4质谱仪与回旋加速器磁场对通电导线的作用力带电粒子在匀强磁场中的运动磁场对运动电荷的作用力质谱仪与回旋加速器第一章

安培力与洛伦兹力2025/3/14内容回顾通过上节课的学习，我们知道带电粒子在磁场中的运动与磁场方向和速度方向有关。当不计带电粒子的重力时，其运动情况可能是怎样的？

思考：当v与B成夹角(既不垂直也不平行)时，那么带电粒子会怎样运动呢?等距螺旋式运动v1//B，做匀速直线运动

2025/3/14情境导入

三种同位素的特点：氕、氘、氚这三种带电粒子的电荷量相同、质量不同，即它们的比荷不同。

2025/3/14质谱仪

①

用匀强电场加速带电粒子在加速电场中沿同一条直线运动2025/3/14质谱仪②

用匀强磁场分离比荷不同的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径不同2025/3/14质谱仪根据这种想法和思路，19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪，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。2025/3/14质谱仪1.质谱仪:利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。2.结构及作用：①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子②加速电场：使带电粒子获得速度③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室加速电场偏转磁场照相底片2025/3/14质谱仪3.工作原理：若粒子比荷不同，做圆周运动的半径不同，因此打到的位置就不同。2025/3/14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:①可测粒子的质量及比荷；②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素。2025/3/14回旋加速器要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。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“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。思考:使带电粒子加速，用电场还是磁场？用电压为U的电场加速：加速电压越高，粒子获得动能越大。但是产生过高的电压，在技术上实现起来很困难。2025/3/14回旋加速器为了获得高电压，使粒子具有高能量，人们就想到利用多个电场来实现粒子的多次（多级）加速，如图所示。多级加速器缺点：装置过长，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。2025/3/14回旋加速器1932年，美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速。构造：两半圆金属盒D1、D2，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。2025/3/14回旋加速器工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。2025/3/14回旋加速器接高频电源狭缝原理图粒子源

回旋加速器是如何实现带电粒子的加速？带电粒子在D形盒中运行的周期：

周期T与粒子速度和半径无关2025/3/14回旋加速器粒子加速后的最大速度或最大能量是多少，它们由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？当粒子的q、m一定，其获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速电压的大小无关。2025/3/14回旋加速器带电粒子在回旋加速器中被加速的次数是多少？2025/3/14回旋加速器带电粒子在回旋加速器磁场中运动时间是多少？2025/3/14回旋加速器

粒子在回旋加速器中运动的总时间为

。

（一般忽略电场的加速时间）2025/3/14回旋加速器回旋加速器重要规律总结：

2025/3/14课堂小结质谱仪与回旋加速器

2025/3/14课堂练习

AD2025/3/14课堂练习（1）粒子在磁场中飞出的最大轨道半径为D形盒的半径，对应速度也最大，则有

最大动能为：

联立解得：

所以粒子运动时间：

又粒子做匀速圆周运动的周期：

所以两粒子动能关