普通高中物理选择性必修二 第一章第4节 质谱仪与回旋加速器

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• 普通高中物理选择性必修二 第一章第4节 质谱仪与回旋加速器
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第二册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 质谱仪
• 利用所学知识，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
  • 设想
    • 利用电场让带电粒子获得一定的速度。
    • 利用磁场让粒子做圆周运动。
      • 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B、v相同，m不同，则r不同，可以把不同粒子分开。
  • 设计
    • 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪。并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。
    • 经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
• 质谱仪 工作原理
  • 情境
    • 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，其初速度几乎为0，然后经过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，最后打到照相底片D上。
  • 电场
    • 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。
  • 磁场
    • 粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动。
  • 结论
    • 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，因而分开，并打到照相底片的不同地方。
    • 实际工作中，往往让中性的气体分子进入电离室A，在那里被电离成离子。从离子打在底片上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出离子的比荷q/m。
• 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”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。
• 回旋 加速器
  • 设想
    • 加速器中一定要用到电场。
      • 加速电压越高，粒子获得的动能就越高。
      • 产生过高的电压在技术上是很困难的。能不能采用多次（多级）加速的方法？
      • 由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
      • 如果带电粒子能够往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间就会大大减小了。磁场正好能使带电粒子“转圈圈”。
  • 原理
    • 回旋加速器： 用磁场控制轨道，用电场进行加速。
      • D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U。
      • A处的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，粒子在磁场中做匀速圆周运动。
      • 控制两D形盒间的电势差，改变正负，使得粒子经过盒缝时都能够被加速。
      • 粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝，而两盒间的电势差一次一次地改变正负，粒子的速度就能够增加到很大。
• 思考与讨论 假如粒子每两次经过盒缝的时间间隔（即粒子经过半圆轨道所用的时间）相同，控制两盒间电势差的正负变换是比较容易的。但是粒子的运动越来越快，粒子走过半圆的时间时隔会不会越来越短？两盒间电势差的正负变换是不是要越来越快？实际情况是怎样的呢？
  • 尽管粒子的速率和半径一次比一次大，带电粒子匀速圆周运动的周期却始终不变。
    • 原因
      • 对一定的带电粒子和一定的磁场来说，带电粒子做匀速圆周运动的周期是不变的。
  • 在两盒间加一个交变电场，使它以同样的周期往复变化，就可以保证粒子每经过电场时，都正好赶上合适的电场方向而被加速。
  • 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25~30 MeV后，很难再加速了。
    • 原因
      • 按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增加，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。
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