质谱仪回旋加速器

一、带电粒子在匀强磁场中的运动沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。VV--F洛VV--F洛VV--F洛1、轨道半径带电粒子只受洛伦兹力，作圆周运动，洛伦兹力提供向心力：RvmqvB2BqmvR解得：一、带电粒子在匀强磁场中的运动沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。VV--F洛VV--F洛VV--F洛1、轨道半径BqmvR2、运行周期qBmvRT22（周期跟轨道半径和运动速率均无关）带电粒子在气泡室运动径迹的照片（1）不同带电粒子的径迹半径为何不同？（2）同一径迹上为什么曲率半径越来越小？质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子比荷及测定带电粒子质量的重要工具。二、质谱仪.......................................................2s3s1s照相底片质谱仪的示意图二、质谱仪利用电场加速利用磁场偏转例5、如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb=vc＜vd，质量关系为ma=mb＜mc=md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和A2两点。则射到P1板的是____粒子，射到P2板的是___粒子，打在A1点的是____粒子，打在A2点的是____粒子。adcb例7、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，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断A、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C、只要x相同，则离子质量一定相同D、只要x相同，则离子的荷质比一定相同···············UqSS1xPB······························UqSS1xPB例8、如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U=800V的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B=0.40T的匀强磁场中，最后打到底片D上.测得粒子在磁场中运动的轨道半径为r=5cm。求带电粒子的比荷是多少？c/kg100.46答案：三、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”。产生高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。三、回旋加速器1.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，qU=Ek．2.直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：（一）直线加速器3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。三、回旋加速器（一）直线加速器（二）回旋加速器解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来”，用磁场控制轨迹，用电场进行加速。回旋加速器原理图NSB2D1DO~N回旋加速器原理图NSB2D1DO~N回旋加速器的核心部分是Ｄ形金属盒，两Ｄ形盒之间留有窄缝，中心附近放置离子源(如质子、氘核或粒子源等)。在两Ｄ形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成一个交变电场。Ｄ形盒装在一个大的真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，这磁场的方向垂直于Ｄ形盒的底面。三、回旋加速器原理：电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。BqmTπ2回旋周期：，与半径、速度的大小无关。离盒时粒子的最大动能：mqBR0v2k21vmEmRBqE22022k与加速电压无关，由半径决定。三、回旋加速器回旋加速器的局限性（1）D形盒半径不能无限增大（2）受相对论效应制约，质量随速度而增大，周期T变化。mRBqE22022kBqmTπ2此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.三、回旋加速器三、回旋加速器我国于1994年建成的第一台强流质子加速器，可产生数十种中短寿命放射性同位素.例10、关系回旋加速器，下列说法正确的是A．电场和磁场都是用来加速粒子的B．电场用来加速粒子，磁场仅使粒子做圆周运动C．粒子经加速后具有的最大动能与加速电压值有关D．为了是粒子不断获得加速，粒子圆周运动的周期等于交流电的半周期例11、有一回旋加速器，他的交变电压的频率为，半圆形电极的半径为0.532m。问加速氘核所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的最大动能为多大？其最大速率有多大？（已知氘核的质量为电荷量为）.Hz10126kg103.327C106.119答案：T56.1BMeV7.16kE17sm1002.4v四、霍尔效应1879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出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。四、霍尔效应quBf如图，导电板高度为b厚度为d放在垂直于它的磁场B中。当有电流I通过它时，由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转，结果在A、A’两侧分别聚集了正、负电荷，在导电板的A、A’两侧会产生一个电势差U。设导电板内运动电荷的平均定向速率为u，它们在磁场中受到的洛仑兹力为：当导电板的A、A’两侧产生电势差后，运动电荷会受到电场力：qbUEqF导电板内电流的微观表达式为：ubdnqnqsuI)(由以上各式解得：dIBnqU1其中叫霍尔系数nqK1例12、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I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e。回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势_____下侧面的电势（填高于、低于或等于）。（2）电子所受洛仑兹力的大小为______。（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为______。（4）由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数K=，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。ne1低于BeVUe/h例3、我国第21次南极科考队在南极观看到了美丽的极光。极光是由来自太阳的高能量带电粒子流高速冲进高空稀薄大气层时，被地球磁场俘获，从而改变原有运动方向，向两极做螺旋运动，如图5所示。这些高能粒子在运动过程中与大气分子或原子剧烈碰撞或摩擦从而激发大气分子或原子，使其发出有一定特征的各种颜色的光。地磁场的存在，使多数宇宙粒子不能到达地面而向人烟稀少的两极偏移，为地球生命的诞生和维持提供了天然的屏障。科学家发现并证实，向两极做螺旋运动的这些高能粒子的旋转半径是不断减小的，这主要与下列哪些因素有关：A.洛伦兹力对粒子做负功，使其动能减小B.空气阻力做负功，使其动能减小C.南北两极的磁感应强度增强D.太阳对粒子的引力做负功