质谱仪、回旋加速器.ppt

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1、质谱仪质谱仪原理分析原理分析1 1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具2 2、基本原理、基本原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种分开，进而分析某元素中所含同位素的种类类3、推导推导ks5u精品课件1 1加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，使带电粒子的动能增加，q

2、UqU=E Ek k2 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：加速器加速器（一）、直线加速器（一）、直线加速器ks5u精品课件 由动能定理得带电粒子经由动能定理得带电粒子经n n极的电场加速后极的电场加速后增加的动能为：增加的动能为：3 3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制范围内制造直线加速器受到一定的限制ks5u精品课件二、回旋加速器 1 119321932年年美美国国物物理理学学家家劳劳伦伦斯斯发发明明了了回回旋旋加加速速器器，实实现现了了在在

3、较较小小的的空空间间范范围围内内进进行行多多级级加加速速2 2工工作作原原理理：利利用用电电场场对对带带电电粒粒子子的的加加速速作作用用和和磁磁场场对对运运动动电电荷荷的的偏偏转转作作用用来来获获得得高高能能粒粒子子，这这些些过过程程在在回回旋旋加加速速器器的的核核心心部部件件两两个个D D形盒和其间的窄缝内完成。形盒和其间的窄缝内完成。ks5u精品课件U二、回旋加速器二、回旋加速器ks5u精品课件（1 1）磁磁场场的的作作用用：带带电电粒粒子子以以某某一一速速度度垂垂直直磁磁场场方方向向进进入入匀匀强强磁磁场场后后，并并在在洛洛伦伦兹兹力力作作用用下下做做匀匀速速圆圆周周运运动动，其其周周期

4、期和和速速率率、半半径径均均无无关关，带带电电粒粒子子每每次次进进入入D D形形盒盒都都运运动动相相等等的的时时间间（半半个个周周期期）后后平平行行电电场场方方向向进进入入电电场场中中加速加速（2 2）电电场场的的作作用用：回回旋旋加加速速器器的的两两个个D D形形盒盒之之间间的的窄窄缝缝区区域域存存在在周周期期性性变变化化的的并并垂垂直直于于两两D D形形盒盒正正对对截截面面的的匀匀强强电电场，带电粒子经过该区域时被加速场，带电粒子经过该区域时被加速（3 3）交交变变电电压压：为为了了保保证证带带电电粒粒子子每每次次经经过过窄窄缝缝时时都都被被加加速速，使使之之能能量量不不断断提提高高，须须

5、在在窄窄缝缝两两侧侧加加上上跟跟带带电电粒粒子子在在D D形盒中运动周期相同的交变电压形盒中运动周期相同的交变电压ks5u精品课件带电粒子的最终能量 当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由大，由r=r=mv/qBmv/qB得得v=v=rqB/mrqB/m，若，若D D形盒的半径为形盒的半径为R R，则带电粒子的最终动能：则带电粒子的最终动能：所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度可能增大磁感应强度B B和和D D形盒的半径形盒的半径R R ks5u精品课件为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与

6、加速电压无关？解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D D形形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在D D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能，由相应的动能，由 可知，增强可知，增强可知，增强可知，增强B B B B和增大和增大和增大和增大R R R R可提

7、高加速粒子的最终能可提高加速粒子的最终能可提高加速粒子的最终能可提高加速粒子的最终能量，与加速电压高低无关量，与加速电压高低无关量，与加速电压高低无关量，与加速电压高低无关ks5u精品课件小结：回回旋旋加加速速器器利利用用两两D D形形盒盒窄窄缝缝间间的的电电场场使使带带电电粒粒子子加加速速，利利用用D D形形盒盒内内的的磁磁场场使使带带电电粒粒子子偏偏转转，带带电电粒粒子子所所能能获获得得的最终能量与的最终能量与B B和和R R有关，与有关，与U U无关无关ks5u精品课件 如果尽量增强回旋加速器如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大的磁场或加大D D形盒半径，我形盒半径，我们是不是就可以使带电

8、粒子获们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？得任意高的能量吗？思考思考ks5u精品课件IBdh霍尔效应霍尔效应ks5u精品课件1 、如图所示，在第一象限有磁感应强度为、如图所示，在第一象限有磁感应强度为B的匀强的匀强磁场，一个质量为磁场，一个质量为m，带电量为，带电量为+q的粒子以速度的粒子以速度v从从O点射入磁场，点射入磁场，角已知，求粒子在磁场中飞行的时角已知，求粒子在磁场中飞行的时间和飞离磁场的位置（粒子重力不计）间和飞离磁场的位置（粒子重力不计）ks5u精品课件2 2、如如图图所所示示，在在半半径径为为R R 的的圆圆的的范范围围内内，有有匀匀强强磁磁场场，方方向向垂垂直直圆圆所

9、所在在平平面面向向里里一一带带负负电电的的质质量量为为m m电电量量为为q q粒粒子子，从从A A点点沿沿半半径径AOAO的的方方向向射射入入，并并从从C C点点射射出出磁磁场场AOCAOC120120o o 则则 此此 粒粒 子子 在在 磁磁 场场 中中 运运 行行 的的 时时 间间 t t_(不计重力不计重力)ABRvvO120120Cks5u精品课件 3 、氘核和氘核和粒子，从静止开始经相同电场粒子，从静止开始经相同电场加速后，垂直进入同一匀强磁场作圆周运动加速后，垂直进入同一匀强磁场作圆周运动.则这则这两个粒子的动能之比为多少？轨道半径之两个粒子的动能之比为多少？轨道半径之比比为多为多

10、少？周期之比为多少？少？周期之比为多少？ks5u精品课件 4、垂垂直直纸纸面面向向外外的的匀匀强强磁磁场场仅仅限限于于宽宽度度为为d的的条条形形区区域域内内，磁磁感感应应强强度度为为B一一个个质质量量为为m、电电量量为为q的的粒粒子子以以一一定定的的速速度度垂垂直直于于磁磁场场边边界界方方向向从从点点垂垂直直飞飞入入磁场区，如图所示，当它飞离磁场区时，运动方向磁场区，如图所示，当它飞离磁场区时，运动方向 偏转偏转角试求粒子的角试求粒子的 运动速度运动速度v以及在磁场中以及在磁场中 运动的时间运动的时间tks5u精品课件临界问题临界问题5、长为长为L的水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如图所

11、的水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如图所示，磁感强度为示，磁感强度为B，板间距离也为板间距离也为L，板不带电，现有质量为板不带电，现有质量为m，电量为电量为q的带正电粒子（不计重力），从左边极板间中点处垂直磁的带正电粒子（不计重力），从左边极板间中点处垂直磁感线以速度感线以速度v水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，求粒子的速水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，求粒子的速度度的范围。的范围。使粒子的速度使粒子的速度v5BqL/4mks5u精品课件本课小结：本课小结：一、带电粒子在磁场中的运动一、带电粒子在磁场中的运动平行磁感线进入：做匀速直线运动平行磁感线进入：做匀速直线运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动半径：半径：RmvqB周期：周期：T2m qB二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置由由D D形盒、高频交变电场等组成形盒、高频交变电场等组成