(完整版)回旋加速器和质谱仪
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质谱仪与回旋加速器
（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径
R = mv ，代入v值得
eB2
R = 1 2U1m B2 e
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是 两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝 中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中， 磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电
实际并非如此。这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理， 粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化 ，这就破坏了加速器的同步条件。
【例2】1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示， 这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的 是( D )
荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示，问：
(1)盒中有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间。(不计
粒子在电场中运动的时间)
第一章 安培力与洛伦兹力 4.质谱仪与回旋加速器
在科学研究和工业生产中，常需要将一束
带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含 物质的成分。利用所学的知识，你能设计一 个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的 带电粒子吗？
美国费米实验室的回旋加速器直径长达2km， 回旋加速器的直径为什么要这么大呢？
了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
解析：加速：qU 1 mv2 2
偏转：R mv 1 d qB 2
R 1 d 1 2mU 2 Bq
质谱仪、回旋加速器
2r mv 根据 T 结合 r v qB 2m 可知 T qB
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
回旋加速器
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不 是分别接在高频交流电源的两极上，而是接 在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？ 请在图中画出粒子的运动轨迹。
回旋加速器
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电 极上加一个 交变 电压。 根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加 速，提供的电压应符合怎样的要求？
思考6：为什么带电粒子经回旋加速器加 速后的最终能量与加速电压无关？
解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增 量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形 盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在 D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 相应的动能，由 2 2 2
世界上最大、能量最高的粒子加速器 ——欧洲大型强子对撞机
世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究
在瑞士和法国边界地 区的地底实验室内，科学 家们正式展开了被外界形 容为“末日实验”的备受 争议的计划。他们启动了 全球最大型的强子对撞机 (LHC)，把次原子的粒子 运行速度加快至接近光速， 并将互相撞击，模拟宇宙 初开“大爆炸”后的情况。 科学家希望借这次实验， 有助解开宇宙间部分谜团。 但有人担心，今次实验或 会制造小型黑洞吞噬地球， 令末日论流言四起。
n mn BR T磁 = TB 2 Bq 2U
2
2
2
2
回旋加速器
1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变
2m T＝ qB
2.交变电场的周期和粒子的运动周期 T相同----保证粒子每次经过交变 电场时都被加速
质谱仪与回旋加速器-高二物理课件(人教版2019选择性必修第二册)
直线加速器优点是结构简单，可以把粒子的能量加速到 足够大，缺点是加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空 条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困 难的.
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
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对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的 粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择
器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的
场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择 器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
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。
问题：如何才能把粒子加速？
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
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对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的 粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择
器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的
场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择 器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
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。
问题：如何才能把粒子加速？
人教版物理高中选择性必修2第一章1_4 质谱仪与回旋加速器PPT教学课件
描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器
情境 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能 加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输 运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕 储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所 示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对 撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大 小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周 运动,从而在碰撞区迎面相撞。
B1
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器 1.构造图:如图所示。
2.核心部件:两个金属⑤ D形盒 。
3.原理:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期⑥ 相同 ,粒子每
经过一次加速,其轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期⑦ 不变 。
4.最大动能:由qvB=
mv2 R
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
1|质谱仪
情境 质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在磁 场中能够偏转的原理,质谱仪按物质原子、分子或分子碎片的质量差异将它们进 行分离或检测物质组成。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有 机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态 仪器和动态仪器。
为U的电场加速后,由qU=
1 2
mv2可求得其从S2射出时的速度为v=
2qU 。
m
该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB= mv2 可求得其轨迹半
2|回旋加速器
情境 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能 加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输 运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕 储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所 示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对 撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大 小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周 运动,从而在碰撞区迎面相撞。
B1
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器 1.构造图:如图所示。
2.核心部件:两个金属⑤ D形盒 。
3.原理:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期⑥ 相同 ,粒子每
经过一次加速,其轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期⑦ 不变 。
4.最大动能:由qvB=
mv2 R
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
1|质谱仪
情境 质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在磁 场中能够偏转的原理,质谱仪按物质原子、分子或分子碎片的质量差异将它们进 行分离或检测物质组成。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有 机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态 仪器和动态仪器。
为U的电场加速后,由qU=
1 2
mv2可求得其从S2射出时的速度为v=
2qU 。
m
该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB= mv2 可求得其轨迹半
第1.4节 质谱仪与回旋加速器(教学课件)
m,q
一、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 ：
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
3、作用：
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
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒
一、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 ：
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
3、作用：
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
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒
高中物理人教选择性必修第二册质谱仪与回旋加速器 完整版课件
1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的 “原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器 。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置 。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回 旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实 验室成为世界物理学家参观学习的基地。
在二战美国研制原子弹期间，劳伦斯从事过用电磁 法分离铀－235，以及用加速器生产钚－239的实验研 究，为探寻获取美国首批原子弹的装料途径做出了独 特的贡献。到1948年，由劳伦斯建议制造的大型回旋 加速器已能提供α粒子束、氘粒子束和质子束。同年初 ，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV α 粒子找到了介子，不久美国即开始建造第一座π介子工 厂。从此，开创了一个高能物理的新时代。由于劳伦 斯的倡议和推动，美国加利福尼亚大学建造了一台 6GeV高能质子同步稳相加速器。物理学家们在这台巨 型加速器上进行高能物理研究，完成了一系列重大发 现。
一、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 ：
电离室
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粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场
照相底片
加速电场 速度选择器
④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
偏转磁场
A．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子的能量E将越大
B．磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大， 质子的能量E将越大
C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越长
D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越短
质谱仪与回旋加速器-高二理课件(2019人教版选择性必修第二册)
【答案】（1）正电；（2）
2 B
2mU q
；（3） d12
:
d22
解析：（1）由粒子在磁场中的运动轨迹根据左手定则可得出粒子带正电；
（2）粒子在电场中加速，根据动能定理
qU 1 mv2 2
粒子在磁场中做匀速圆周运动时，洛伦兹力提供向心力
联立解得
qvB m v2 R
d 2R
（3）由（2）中结论对同位数可得
图1
二、回旋加速器
1.回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接_交___流电源，D形盒
处于垂直于D形盒的匀强_磁__场_中，如图2.
2.工作原理
(1)电场的特点及作用
特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在
_周__期__性__变__化__的电场.
作用：带电粒子经过该区域时被_加__速__.
图2
(2)磁场的特点及作用
2
r
Bq
位素电荷量 q 相同，质量不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，
故能据此区分同位素. 2.回旋加速器 (1)粒子被加速的条件 带电粒子要保障每次进入电场中能够使其运动速度方向与电场力
方向相同即可被加速，这就要求交流电压的周期等于粒子在磁场 中运动的周期.
(2)粒子最终的能量 粒子速度最大时的半径等于 D 形盒的半径，即 rm＝R，rm＝mvm，则粒
特点：D形盒处于与盒面垂直的_匀__强__磁场中.
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做_匀__速__圆__周__运动，从而
改变运动__方__向__，__半__个__圆周后再次进入电场.
02
HEXINJIEYI
>>
核心解疑
掌握要点
1.质谱仪区分同位素：由 qU＝1mv2 和 qvB＝m v2可求得 r＝1 2mU.同
质谱仪与回旋加速器_课件
回旋加速器的原理
D 形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，则: (1)从出口射出时，粒子的动能Ek=? (2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施?
回旋加速器原理的反思
据上问，D 越大，EK 越大，是不是只要D 不断增大，EK就可以无限制增 大呢？ E k 不能无限制地增大，按照狭义相对论，粒子的质量随速度的增加而增大， 而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏与电场变化周期的同步。
这种现象是如何发生的？
霍尔效应
当带电粒子通过磁场区域时，由于洛伦兹力的作用，正、负离子分别向哪偏？
根据左手定则，
v 正离子向上偏；负离子向下偏
导体板上下两面，哪一面电势高，哪一面电势低？ 上表面电势高，下表面电势低。
霍尔效应
试推导离子流稳定时，上下两板间形成的电场的电势差是多少？
带电粒子在复合场中运动在科技中的应用有很多。 我们先来看一下速度选择器。
速度选择器
知道速度选择器的基本构造。 掌握速度选择器的应用。
速度选择器
速度选择器如何选择出具有一定速度的粒子？ 粒子能够通过速度选择器的条件:
qE＝qvB
速度选择器能把具有某一特定速度的粒子选择出来，是质谱仪的重要组成部分。
回旋加速器的原理
带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期随半径的增大会不会发生变化？
与v、r无关
T 不变
回旋加速器的原理
在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而 是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运 动轨迹。
要使粒子每次经过电场都被加速，应 在电极上加一个交变电压。
有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，如此反复“ 转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？
课件1：1.4质谱仪与回旋加速器
粒子才能通过速度选择器。
(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：r = mv
qB2
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
q m
=
8U B22 x22
m = qB22 x22 8U
由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别， 就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着 不同的谱线，叫作质谱线。
例3：如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒 置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下 列说法中正确的是( AC ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
③交变电压的作用 为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上 跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
由于技术条件的限制，两极电压不可能无限提高，因此常常采用多级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动，加速装置要很长很长，占有的空间范围很大， 在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
说明： 1. 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运 动的周期不变。 2. 因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽 略不计。 3. 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25 ~ 30MeV后。就很难加速了，原因 是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导 致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
1.4 质谱仪与回旋加速器
高中物理精品课件： 质谱仪和回旋加速器
质谱仪和回旋加速器
一 质谱仪
1.应用：测量带电粒子质量和分析同位素。 2.结构：如图所示
3.原理
加速电场U1：U1q
1
mv
2
v
2qU1 m
速度选择器E,B：v E 2qU1 Bm
偏转磁场B0：不同粒子偏转半径不同
r mv m
2qU1 m m qB02r2
qB qB
2U1
m不同，r 就不同
直线加速器
+q
方案一：
加速运动
+ U—
U1
U2
方案二：
+q
匀速直线运动 U3
…
1级 2级 3级
回旋加速器
1） 电场：使粒子加速 2） 磁场：使粒子偏转，速率不变
+- ~ +-
3）
加速条件： T电场
T回 旋
2πm qB
4） 粒子最大动能：离开半径与金属盒半径相同
qvm B
mv
2 m
R
R
mvm qB
Ekm
1 2
mv
2 m
q2B2R2 2m
粒子q、m及B一定，粒子获得的最大动能与回旋加速器 的半径R有关，R越大，Ek越大。
5） v接近光速时，回旋加速器受限。
粒子速度v接近光速c时
6） 粒子加速次数 n Ekm Uq
T 2 m
qB
7） 粒子在回旋加速器中运动的时间t
电场：t1
磁场：
t2
n -1T 2
B=
q
=1.57T
Ek=
RqB
2m
2
=2.55×10-12J
（n -1）m qB
t2>>t1，认为t ≈ t2.
一 质谱仪
1.应用：测量带电粒子质量和分析同位素。 2.结构：如图所示
3.原理
加速电场U1：U1q
1
mv
2
v
2qU1 m
速度选择器E,B：v E 2qU1 Bm
偏转磁场B0：不同粒子偏转半径不同
r mv m
2qU1 m m qB02r2
qB qB
2U1
m不同，r 就不同
直线加速器
+q
方案一：
加速运动
+ U—
U1
U2
方案二：
+q
匀速直线运动 U3
…
1级 2级 3级
回旋加速器
1） 电场：使粒子加速 2） 磁场：使粒子偏转，速率不变
+- ~ +-
3）
加速条件： T电场
T回 旋
2πm qB
4） 粒子最大动能：离开半径与金属盒半径相同
qvm B
mv
2 m
R
R
mvm qB
Ekm
1 2
mv
2 m
q2B2R2 2m
粒子q、m及B一定，粒子获得的最大动能与回旋加速器 的半径R有关，R越大，Ek越大。
5） v接近光速时，回旋加速器受限。
粒子速度v接近光速c时
6） 粒子加速次数 n Ekm Uq
T 2 m
qB
7） 粒子在回旋加速器中运动的时间t
电场：t1
磁场：
t2
n -1T 2
B=
q
=1.57T
Ek=
RqB
2m
2
=2.55×10-12J
（n -1）m qB
t2>>t1，认为t ≈ t2.
高中物理(新人教版)选择性必修2：质谱仪与回旋加速器【精品课件】
粒子在平行板间做匀速直线运动，受力平衡，qvB 1＝qE，解得粒
E
mv
子的速度 v＝ ，C 选项错误；在右侧磁场中，轨迹半径 R＝ ，
B1
qB 2
q
运动半径越大的粒子，荷质比 越小，D 选项正确．
m
例2、质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择
器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1 ，板间距离为d；c为偏转分离
运动的带电粒子施加作用力。
阿斯顿
mv
r
qB
质谱仪是用来分离同位素、检测它们的相对原子质量和相
对丰度的仪器。
新课讲解
一、质谱仪
1、质谱仪的构造
质谱仪主要由以下几部分组成：
① 带电粒子注入器
② 加速电场 ( U )
③ 速度选择器 ( B1、E )
④ 偏转磁场 ( B2)
⑤ 照相底片
2、质谱仪的工作原理
匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒
子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动
轨迹如图所示，问：
(1)盒中有无电场？
(2)粒子在盒内做何种运动？
(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？
(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述
场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两 D 形金属盒处于垂直于盒底的匀
强磁场中，如图所示．设 D 形盒半径为 R，若用回旋加速器加速质子时，匀
强磁场的磁感应强度为 B，高频交流电频率为 f，则下列说法正确的是( AB )
A．质子被加速后的最大速度不可能超过 2πfR
B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关
E
mv
子的速度 v＝ ，C 选项错误；在右侧磁场中，轨迹半径 R＝ ，
B1
qB 2
q
运动半径越大的粒子，荷质比 越小，D 选项正确．
m
例2、质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择
器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1 ，板间距离为d；c为偏转分离
运动的带电粒子施加作用力。
阿斯顿
mv
r
qB
质谱仪是用来分离同位素、检测它们的相对原子质量和相
对丰度的仪器。
新课讲解
一、质谱仪
1、质谱仪的构造
质谱仪主要由以下几部分组成：
① 带电粒子注入器
② 加速电场 ( U )
③ 速度选择器 ( B1、E )
④ 偏转磁场 ( B2)
⑤ 照相底片
2、质谱仪的工作原理
匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒
子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动
轨迹如图所示，问：
(1)盒中有无电场？
(2)粒子在盒内做何种运动？
(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？
(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述
场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两 D 形金属盒处于垂直于盒底的匀
强磁场中，如图所示．设 D 形盒半径为 R，若用回旋加速器加速质子时，匀
强磁场的磁感应强度为 B，高频交流电频率为 f，则下列说法正确的是( AB )
A．质子被加速后的最大速度不可能超过 2πfR
B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关
高中物理精品课件： 质谱仪与回旋加速器
中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
T
改进：
2 m
qB
【例题2】回旋加速器的工作原理如图1所示，置于真空中的D形金属盒半径为
R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒
子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大
2m
小为U0，周期T＝ qB 。一束该种粒子在t＝0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初
qU 0
a
md
粒子做圆周运动的总时间
t
BRd
U0
T
BR 2 π
t0 n
2
2U 0
BR 2 π
BRd
t
2U 0
U0
BR πR
（
d)
U0
2
所以粒子运动的总时间：
即：
知识拓展：
通常情况下，R》d，也就是粒子加速的时间与粒子做圆周运动的
时间相比可以忽略不计，所以在前面讨论交变电流的变化周期时不需要
2 2
R
电场加速过程的功能关系：
1
qU mv 2
2
qB R
U
2m
（2）实际上加速电压的大小会在U±△U范围内微小变化．若容器A中有电荷
量相同的铀235和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会
发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，ΔU
U
应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字）
qB
A.D形盒之间交变电场的周期为
B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大
C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大
D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值
T
改进：
2 m
qB
【例题2】回旋加速器的工作原理如图1所示，置于真空中的D形金属盒半径为
R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒
子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大
2m
小为U0，周期T＝ qB 。一束该种粒子在t＝0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初
qU 0
a
md
粒子做圆周运动的总时间
t
BRd
U0
T
BR 2 π
t0 n
2
2U 0
BR 2 π
BRd
t
2U 0
U0
BR πR
（
d)
U0
2
所以粒子运动的总时间：
即：
知识拓展：
通常情况下，R》d，也就是粒子加速的时间与粒子做圆周运动的
时间相比可以忽略不计，所以在前面讨论交变电流的变化周期时不需要
2 2
R
电场加速过程的功能关系：
1
qU mv 2
2
qB R
U
2m
（2）实际上加速电压的大小会在U±△U范围内微小变化．若容器A中有电荷
量相同的铀235和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会
发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，ΔU
U
应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字）
qB
A.D形盒之间交变电场的周期为
B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大
C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大
D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值
新教材人教版选择性必修第二册 1.4 质谱仪与回旋加速器 课件(51张)
T= 2m ,知氚核
Bq
3 1
H
的质量与电荷量的比值大于α粒子
4 2
He
,所以氚核在
磁场中运动的周期大,则加速氚核的交流电源的周期较大。根据qvB=m v2 得,
最氚大核速的度电荷v=量qmB是r,α则粒最子大的动能1E倍km=,则12 氚mv核2=的q22最Bm2r大2,动氚能核是的α质粒量子是的α粒1子倍的,即r34氚倍核,
2
②偏转:带电粒子进入质谱仪的偏转磁场,洛伦兹力提供向心力:_q_v_B_=
mv
2
。
r
由以上两式可以求出粒子的_比__荷__、_质__量__以及偏转磁场的_磁__感__应__强__度__等。
2.回旋加速器:
(1)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。
(2)原理: ①粒子从_电__场__中获得动能,磁场的作用是改变粒子的_速__度__方__向__。 ②周期:交流电的周期与粒子做圆周运动的周期_相__等__,周期T= 2m ,与粒子速度
2m
回旋加速器的半径和磁场磁感应强度有关。
【典例示范】 (多选)1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示,这台 加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( ) A.粒子由加速器的中心附近进入加速器 B.粒子由加速器的边缘进入加速器 C.粒子从磁场中获得能量 D.粒子从电场中获得能量
2m
【思考·讨论】
情境:劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器,为进行人工可控核反应 提供了强有力的工具,大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。
讨论: (1)在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自于电场,还是磁场?(物理观念)
质谱仪回旋加速器知识点总结
质谱仪回旋加速器知识点总结质谱仪和回旋加速器是两个分别用于物质分析和粒子加速的科学仪器，它们在不同的领域有着重要的应用。
接下来，我将分别总结质谱仪和回旋加速器的相关知识点。
1.质谱的基本原理质谱是一种用于分析物质中各组分的相对丰度和质量的方法。
它基于粒子的质量-电荷比（m/z）的差异，通过离子化，加速，分离和检测等过程来实现。
2.质谱的离子化方法常用的离子化方法有电子轰击、化学电离、电喷雾、激光解吸等。
其中，电子轰击是最常用的方法，通过高能电子与分子碰撞，使分子中的电子被轰击出来，产生离子。
3.质谱的加速和分离分离过程是通过质量分析器（mass analyzer）来实现的。
常见的质量分析器包括离子阱、四极杆、磁扇形质谱仪、飞行时间质谱仪等。
它们利用静电场、磁场和时间差等原理，按照离子的质量-电荷比进行分离和检测。
4.质谱的检测方法检测方法主要包括离子流计（Ion Current Detector, ICD）、质荷比分析器（mass-to-charge analyzer）等。
离子流计通过测量离子的电流或电荷量来检测离子信号，质荷比分析器则根据质量分析器中的离子在检测器中的位置来确定离子的质量-电荷比。
5.质谱的应用领域质谱仪广泛应用于各个领域，如环境科学、生物医药、食品安全、石油化工等。
它可以用于分析物质的成分、确定分子结构、定量分析、鉴别真伪和追溯等。
1.回旋加速器的基本原理回旋加速器是一种用于加速带电粒子的装置，其基本原理是利用静电场和磁场的作用，对电荷加速并使其沿着环形或螺旋轨道运动，从而提高其能量。
2.回旋加速器的工作过程回旋加速器主要分为加速和分束两个过程。
加速过程中，静电场和磁场作用使粒子在环形的轨道上不断加速；分束过程中，通过引入剖面磁场和多极磁场进行分束，使粒子束达到所需的束流特性。
3.回旋加速器的结构和组成部分回旋加速器由加速腔、磁铁、注入和提取系统、束流诊断和控制系统等组成。
加速腔提供电场加速粒子，磁铁通过产生磁场使粒子束束流；注入和提取系统负责将粒子注入和提取出束流；束流诊断和控制系统用于监测和控制粒子束的参数。
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回旋加速器、质谱仪
1.(2016湖北部分重点中学联考)物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。
励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。
玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。
若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。
若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( )
A．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大
B．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变
C．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小
D．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变
2.回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图7所示。
D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。
位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速。
当质子被加速到最大动能E k后，再将它们引出。
忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是( )
A.若只增大交变电压U，则质子的最大动能E k会变大
B.若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短
C.若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子
D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为n－1∶n
3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。
置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。
磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U。
若A处粒子源产生的质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。
则下列说法正确的是( )
A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf
B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
C.质子第2次和第1次经过两D 形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1
D.不改变磁感应强度B 和交流电频率f ，该回旋加速器的最大动能不变
4.如图甲是回旋加速器的原理示意图，其核心部分是两个D 形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中(磁感应强度大小恒定)，并分别与高频电源相连，加速时某带电粒子的动能E k 随时间t 的变化规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是( )
A.高频电源的变化周期应该等于t n －t n －1
B.在E k －t 图象中t 4－t 3＝t 3－t 2＝t 2－t 1
C.粒子加速次数越多，粒子获得的最大动能一定越
大
D.不同粒子获得的最大动能都相同
5.如图所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为A 、B 两束，下列说法中正确的是
( )
A.组成A 束和B 束的离子都带负电
B.组成A 束和B 束的离子质量一定不同
C.A 束离子的比荷大于B 束离子的比荷
D.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外
6.如图所示为“用质谱仪测定带电粒子质量”的装置示意图。
速度选择器中场强E 的方向竖直向下，磁感应强度B 1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B 2的方向垂直纸面向外。
在S 处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E 和B 1入射到速度选择器中，若它们的质量关系满足丁丙乙甲m m m m =<=，速度关系满足
丁丙乙甲v v v v <=<，它们的重力均可忽略，则打在P 1、P 2、P 3、P 4四点的离子分别是
A ．甲丁乙丙
B ．乙甲丙丁 S
B 2 P 1 P 2
P 3 P 4 B 1。