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4 质谱仪与回旋加速器[学习目标] 1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素．一、质谱仪1．构造：主要构件有加速________、偏转________和照相底片． 2．运动过程(如图)(1)加速：带电粒子经过电压为U 的加速电场加速，________＝12m v 2.由此可得v ＝________.(2)偏转：垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r ＝________，可得r ＝______________.3．分析：从粒子打在底片D 上的位置可以测出圆周的半径r ，进而可以算出粒子的________． 4．应用：可以测定带电粒子的质量和分析_______________________________________． 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______流电源，D 形盒处于垂直于D 形盒的匀强________中，如图．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______________________的电场． 作用：带电粒子经过该区域时被________． (2)磁场的特点及作用特点：D 形盒处于与盒面垂直的________磁场中．作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做________运动，从而改变运动______，________圆周后再次进入电场．判断下列说法的正误．(1)质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，同一带电粒子在磁场中的半径相同．( ) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同．( ) (3)回旋加速器加速电场的周期可以不等于粒子的回旋周期．( ) (4)回旋加速器中带电粒子的动能来自磁场．( )一、质谱仪 导学探究如图所示为质谱仪原理示意图．设粒子质量为m 、电荷量为q ，加速电场电压为U ，偏转磁场的磁感应强度为B ，粒子从容器A 下方的小孔S 1飘入加速电场，其初速度几乎为0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S 3的距离多大？知识深化1．带电粒子运动分析(1)加速电场加速：根据动能定理，qU ＝12m v 2.(2)匀强磁场偏转：洛伦兹力提供向心力，q v B ＝m v 2r.(3)结论：r ＝1B 2mU q ，测出半径r ，可以算出粒子的比荷qm. 2．质谱仪区分同位素：由qU ＝12m v 2和q v B ＝m v 2r 可求得r ＝1B2mUq.同位素的电荷量q 相同，质量m 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． 例1 (2018·全国卷Ⅲ)如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U 加速后在纸面内水平向右运动，自M 点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v 1，并在磁场边界的N 点射出；乙种离子在MN 的中点射出；MN 长为l .不计重力影响和离子间的相互作用．求：(1)磁场的磁感应强度大小； (2)甲、乙两种离子的比荷之比．针对训练 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，它的构造原理如图所示．离子源S 0产生的各种不同正离子束(初速度可看作零)，经加速电场(加速电场极板间的距离为d 、电势差为U )加速，然后垂直进入磁感应强度为B 的有界匀强磁场中做匀速圆周运动，最后到达记录它的照相底片P 上．设离子在P 上的位置与入口处S 1之间的距离为x .(1)求该离子的比荷；(2)若离子源产生的是带电荷量为q 、质量为m 1和m 2的同位素离子(m 1>m 2)，它们分别到达照相底片的P 1、P 2位置(图中未画出)，求P 1、P 2间的距离Δx .二、回旋加速器 导学探究回旋加速器两D 形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D 形盒间接上交流电源，在狭缝中形成一个交变电场．D 形盒上有垂直盒面的匀强磁场(如图所示)．(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？(2)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？知识深化1．粒子被加速的条件交变电场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r m ＝R ，r m ＝m v mqB，则粒子的最大动能E km ＝q 2B 2R 22m. 3．提高粒子最终能量的措施：由E km ＝q 2B 2R 22m 可知，应增大磁感应强度B 和D 形盒的半径R .4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n ＝E kmqU (U 是加速电压的大小)．5．粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t 1，在磁场中运动的时间为t 2＝n 2·T ＝n πm qB(n 为加速次数)，总时间为t ＝t 1＋t 2，因为t 1≪t 2，一般认为在回旋加速器中运动的时间近似等于t2.例2(多选)1930年物理学家劳伦斯提出回旋加速器的理论，1932年首次研制成功．如图所示为两个半径为R的中空半圆金属盒D1、D2置于真空中，金属盒D1、D2间接有电压为U 的交流电为粒子加速，金属盒D1圆心O处粒子源产生的粒子初速度为零．匀强磁场垂直两盒面，磁感应强度大小为B，粒子运动过程不考虑相对论效应和重力的影响，忽略粒子在两金属盒之间运动的时间，下列说法正确的是()A．交流电的周期和粒子在磁场中运动的周期相同B．加速电压U越大，粒子最终射出D形盒时的动能就越大C．粒子最终射出D形盒时的动能与加速电压U无关D．粒子第一次加速后和第二次加速后速度之比是1∶ 2例3如图所示是回旋加速器的工作原理图，两个半径为R的中空半圆金属盒D1、D2间窄缝宽为d，两金属电极间接有高频电压U，中心O处粒子源产生质量为m、电荷量为q的粒子，匀强磁场垂直两盒面，粒子在磁场中做匀速圆周运动，设粒子在匀强磁场中运行的总时间为t，则下列说法正确的是()A．粒子的比荷qm越小，时间t越大B．加速电压U越大，时间t越大C．磁感应强度B越大，时间t越大D．窄缝宽度d越大，时间t越大。
第一章 4 质谱仪与回旋加速器问题？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？质谱仪我们都知道，电场可以对带电粒子产生作用力，而磁场同样可以对运动中的带电粒子施加作用力。
因此，我们可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。
通过电场，我们可以让带电粒子获得一定的速度；而利用磁场，则可以让粒子进行圆周运动。
根据公式 r = 我们可以看出，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关。
如果磁场强度(B)和速度(v)相同，但质量(m)不同，那么半径(r)也会有所不同。
这样一来，我们就可以利用这种差异将不同的粒子分开。
在19世纪末，汤姆孙的学生 受到这一想法的启发，设计出了质谱仪。
利用质谱仪，他发现了氖-20和氖-22这两种同位素，从而证实了它们的存在。
随着时间的推移，质谱仪经过多次改进，已经发展成为一种非常精密的仪器，成为科学研究和工业生产领域中不可或缺的重要工具。
如图1.4-1所示，一个质量为m 、电荷量为q 的粒子从容器A 下方的小孔S1飘入电势差为U 的加速电场。
该粒子的初速度几乎为0,接着经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后撞击到照相底片D 上。
粒子进入磁场时的速度 v 等于它在电场中被加速而得到的速度。
由动能定理得m v 2 = qU由此可知v = （1）AU SB 7 7 7 7 7SS图1.4-1 质谱仪工作原理粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动，圆周的半径为r = （2）把第（1）式中的v代入（2）式，得出粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r如果容器 A 中粒子的电荷量相同而质量不同，它们进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同地方。
在实际操作中，我们通常会让中性的气体分子进入电离室A,在那里它们会被电离成带电的离子。
1、加速器的分类：1) 按加速粒子的种类分: ①电子加速器;②离子加速器;③全粒子加速器. 2) 按粒子运动轨道形状分:①直线加速器;②回旋加速器;③环形加速器. 3) 按加速电场的种类分①高压;②感应;③高频共振加速器;2、加速器束流品质（1）粒子的品种（电子、离子、全粒子）（2）束流能量及可调范围;（3）束流的能散度：E E ∆（5）束流的发射度：'(,)S r r επ= ()mm mrad ⋅（4）束流强度及时间特性：I ，直流束或脉冲束。
3、粒子运动参数的相对论表达式 相对速度：v cβ=粒子质量：m =粒子能量：20mcε=22mc ε===001)W εεε=-=20()w P mv m c mcccβεββ+====由：22mc ε===12220()βεεε=-⇒1112222200001122000111()[()()][()]11[(2)][(2)]P w c c cw w w c cεεεεεεεεεεεε=-=-+=+=-+=+第二章 带电粒子的产生→电子枪和离子源（1）热发散电子枪的结构及工作原理 发射极、聚焦极和引出极；阴极一般由低逸出功的材料制成，由电源加热，发射出热电子。
要求阴极材料的电子逸出功要低、熔点要高、蒸发率要小、不易中毒。
栅极的主要功能是对阴极发射的电子起聚焦作用，也称为聚焦极 。
引出极将电子束引出到后加速器系统中。
原理：阴极通过加热发射热电子，栅极聚焦电子束，最后又引出极将电子束引出到加速器系统中。
（2）场致式电子枪的结构及工作原理 在场致发射式阴极上加适当高电压，在阴极表面附近形成大于106V/cm 的强电场，依靠强电场发射电子。
其他的同热发散式电子枪。
（1）高频离子源的工作原理; 高频离子源是一种电子振荡式离子源，利用高频电磁场和轴向稳衡磁场，使放电室中的 自由电子作往复振荡运动，从而使气体得以充分游离而形成等离子体，阳极和吸极之间加一定电压，形成轴向引出电场，使正离子通过吸极上的孔道引出。
强相互作⽤第⼀章第⼀章引⾔--強相互作⽤历史粒⼦物理学(或⾼能物理学)是探索物质结构的最前沿的科学，物质结构的研究已从早先的原⼦层次深⼊到夸克和轻⼦这⼀新层次。
60年代初从加速器实验中发现了100多种基本粒⼦，这些基本粒⼦可以分为两类：⼀类是参与强相互作⽤的粒⼦，如质⼦、中⼦、π介⼦、奇异粒⼦和⼀系列的共振态粒⼦等，统称为强⼦；另⼀类是不参与强相互作⽤，只参与电磁、弱相互作⽤的粒⼦，如电⼦、µ⼦和中微⼦等，统称为轻⼦。
⾼能物理实验⼜进⼀步揭⽰上百种强⼦并不“基本”，是有内部结构的。
质⼦、中⼦、π介⼦等强⼦是由更⼩的夸克组成的，夸克被看成是物质结构的新层次。
并提出了夸克模型理论。
这些强⼦是由三种更基本的夸克(上夸克u、下夸克d和奇异夸克s)组成的。
六⼗年代⼤量的⾼能物理实验证实了夸克的存在。
1974年，丁肇中和⾥克特发现了第四种夸克－粲夸克c，1977年发现了底夸克b，1995年发现了顶夸克t，这6种夸克就是构成所有数百种强⼦的“基本”单元。
同时轻⼦的发现也达到了6种(电⼦、电⼦型中微⼦、µ⼦、µ型中微⼦、τ轻⼦、τ型中微⼦)。
因此夸克和轻⼦就是⽬前阶段我们所认识的物质结构的新层次。
夸克、轻⼦通过电磁相互作⽤、弱相互作⽤、强相互作⽤和引⼒等运动规律就构成了⾃然界万物奥妙⽆穷、千变万化的物理现象。
引⼒的相互作⽤强度最弱，在微观世界可以忽略，⽽强相互作⽤最强，是理解微观世界基本组成份以及它们之间相互作⽤运动规律的关键。
19世纪末麦克斯韦成功地提出了电磁学理论、将原来分开的电和磁学统⼀起来，预⾔了电磁波的存在，很快得到了实验的证实。
20世纪，电磁学规律已经对⼯业、农业、科学技术和军事产⽣了巨⼤的影响。
1967年，温伯格和萨拉姆提出了电磁相互作⽤和弱相互作⽤统⼀理论，并预⾔了弱中性流的存在以及传递弱相互作⽤的中间玻⾊⼦的质量。
1983年1⽉和6⽉分别发现了带电的和中性的中间玻⾊⼦。
