第一章安培力與洛倫茲力第4節(jié)

質(zhì)譜儀與回旋加速器

知識(shí)回顧帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑和周期怎樣計(jì)算？洛倫茲力提供向心力

問(wèn)題探究提示：氕、氘、氚這三種帶電粒子的電荷量相同、質(zhì)量不同，即它們的比荷不同。方案設(shè)計(jì):可使這三種帶電粒子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，若它們?cè)陔妶?chǎng)

或磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，就能將其分開(kāi)。

帶電粒子在加速電場(chǎng)中沿同一條直線運(yùn)動(dòng)，自然無(wú)法將其分開(kāi)；猜想一:嘗試用勻強(qiáng)電場(chǎng)使其分離

問(wèn)題探究①.用電場(chǎng)加速

若使帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)（類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)）呢？（偏轉(zhuǎn)前需要初速度，即可以嘗試使粒子在電場(chǎng)中先加速后偏轉(zhuǎn)，看其運(yùn)動(dòng)軌跡是否相同）猜想一:嘗試用勻強(qiáng)電場(chǎng)使其分離

問(wèn)題探究②.用電場(chǎng)先加速再偏轉(zhuǎn)粒子的軌跡與粒子的比荷無(wú)關(guān)，無(wú)法將它們分開(kāi)猜想二:嘗試用勻強(qiáng)磁場(chǎng)使其分離

問(wèn)題探究磁場(chǎng)只能使運(yùn)動(dòng)電荷偏轉(zhuǎn)，故需要對(duì)粒子先用電場(chǎng)加速后再進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

比荷不同的帶電粒子的半徑不同，

此法可以把比荷不同的粒子分開(kāi)。

研究中讓大量q相同，m不同的帶電粒子從電離室A的小孔

s1“飄”加速電場(chǎng)被加速后，再經(jīng)s3孔進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)，最后打在照相底片D上。由于其圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不同，打在照相底片D的位置也就不同?？茖W(xué)研究中常用此來(lái)分析同位素和測(cè)量帶電粒子質(zhì)量。一、質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀:利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。一、質(zhì)譜儀2.

結(jié)構(gòu)及作用:①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場(chǎng)：使帶電粒子獲得速度③偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離④照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片一、質(zhì)譜儀3.工作原理:加速時(shí)：

若粒子比荷不同，做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不同，因此打到的位置就不同。質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具:①可測(cè)粒子的質(zhì)量及比荷;②與已知粒子半徑對(duì)比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素。偏轉(zhuǎn)時(shí)：A.進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速度從大到小排列的順序是氕、氘、氚B.進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)動(dòng)能從大到小排列的順序是氕、氘、氚C.在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間由大到小排列的順序是氕、氘、氚D.a、b、c三條“質(zhì)譜線”依次排列的順序是氕、氘、氚例1.

如圖所示為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用質(zhì)譜儀對(duì)氫元素進(jìn)行測(cè)量。讓氫的三種同位素的離子流從容器A下方的小孔S無(wú)初速度飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中、氫的三種同位素分別為

，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。則下列判斷正確的是（

A

）

要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開(kāi)”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開(kāi)”。產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。（思考:使帶電粒子加速，用電場(chǎng)還是磁場(chǎng)？）

問(wèn)題探究用電壓為U的電場(chǎng)加速：v與U有關(guān)，而技術(shù)上不能產(chǎn)生過(guò)高的電壓。用電壓直線多級(jí)加速：缺點(diǎn)：裝置過(guò)長(zhǎng)，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。斯坦福直線加速器有沒(méi)有什么辦法改進(jìn)？

二、回旋加速器

二、回旋加速器1.構(gòu)造:主要由兩半圓金屬盒D1、D2

構(gòu)成，D形盒的縫隙處接交流電源，D形盒處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)沒(méi)有電場(chǎng)，其作用是使帶電粒子回旋（做圓周運(yùn)動(dòng)）；盒間縫隙有電場(chǎng)，其作用是使帶電粒子加速。

要使帶電粒子每次經(jīng)過(guò)縫隙時(shí)都被加速，帶電粒子偏轉(zhuǎn)半周時(shí)電場(chǎng)方向要改變一次，即帶電粒子運(yùn)動(dòng)一周時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)方向變化兩次（一個(gè)周期）。2.加速條件:電場(chǎng)的變化周期要等于粒子的運(yùn)動(dòng)周期3.

粒子獲得的最大動(dòng)能:（離開(kāi)半徑與D形盒半徑相同）

對(duì)某種粒子q、m一定，粒子獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和回旋加速器的半徑R決定，與加速度電壓的大小無(wú)關(guān)。

二、回旋加速器

按照狹義相對(duì)論，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大，而質(zhì)量的變化會(huì)導(dǎo)致其回旋周期的變化，從而破壞了與電場(chǎng)變化周期的同步。因此，回旋加速器加速的帶電粒子，能量能達(dá)到25—30MeV后，很難再加速了。

二、回旋加速器4.回旋加速器的局限性——不可無(wú)限加速改進(jìn)：①.在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，周期不變②.每一個(gè)周期加速兩次③.電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相同④.電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次⑤.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定⑥.電場(chǎng)加速過(guò)程中,時(shí)間極短,可忽略

二、回旋加速器5.

回旋加速器的特點(diǎn)例2.如圖為回旋加速器示意圖，兩個(gè)靠得很近的D形金屬盒處在與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，已知D形盒的半徑為R，高頻交變電源的電壓為U、頻率為f，質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q，已知質(zhì)子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期等于交變電源的周期，下列說(shuō)法正