3/14/20251.4質譜儀與回旋加速器磁場對通電導線的作用力帶電粒子在勻強磁場中的運動磁場對運動電荷的作用力質譜儀與回旋加速器第一章

安培力與洛倫茲力2025/3/14內容回顧通過上節課的學習，我們知道帶電粒子在磁場中的運動與磁場方向和速度方向有關。當不計帶電粒子的重力時，其運動情況可能是怎樣的？

思考：當v與B成夾角(既不垂直也不平行)時，那么帶電粒子會怎樣運動呢?等距螺旋式運動v1//B，做勻速直線運動

2025/3/14情境導入

三種同位素的特點：氕、氘、氚這三種帶電粒子的電荷量相同、質量不同，即它們的比荷不同。

2025/3/14質譜儀

①

用勻強電場加速帶電粒子在加速電場中沿同一條直線運動2025/3/14質譜儀②

用勻強磁場分離比荷不同的帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑不同2025/3/14質譜儀根據這種想法和思路，19世紀末，湯姆孫的學生阿斯頓設計了質譜儀，并用質譜儀發現了氖-20和氖-22，證實了同位素的存在。后來經過多次改進，質譜儀已經成為一種十分精密的儀器，是科學研究和工業生產中的重要工具。2025/3/14質譜儀1.質譜儀:利用磁場對帶電粒子的偏轉，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質量的儀器。2.結構及作用：①電離室：使中性氣體電離，產生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③偏轉磁場：使不同帶電粒子偏轉分離④照相底片：記錄不同粒子偏轉位置及半徑電離室加速電場偏轉磁場照相底片2025/3/14質譜儀3.工作原理：若粒子比荷不同，做圓周運動的半徑不同，因此打到的位置就不同。2025/3/14質譜儀質譜儀是測量帶電粒子質量和分析同位素的重要工具:①可測粒子的質量及比荷；②與已知粒子半徑對比可發現未知的元素和同位素。2025/3/14回旋加速器要認識原子核內部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。思考:使帶電粒子加速，用電場還是磁場？用電壓為U的電場加速：加速電壓越高，粒子獲得動能越大。但是產生過高的電壓，在技術上實現起來很困難。2025/3/14回旋加速器為了獲得高電壓，使粒子具有高能量，人們就想到利用多個電場來實現粒子的多次（多級）加速，如圖所示。多級加速器缺點：裝置過長，在有限的空間范圍內制造直線加速器受到一定的限制。2025/3/14回旋加速器1932年，美國物理學家勞倫斯發明了回旋加速器，實現了在較小的空間范圍內進行多級加速。構造：兩半圓金屬盒D1、D2，D形盒的縫隙處接交流電源。D形盒處于勻強磁場中。2025/3/14回旋加速器工作原理：利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件——兩個D形盒和其間的窄縫內完成。2025/3/14回旋加速器接高頻電源狹縫原理圖粒子源

回旋加速器是如何實現帶電粒子的加速？帶電粒子在D形盒中運行的周期：

周期T與粒子速度和半徑無關2025/3/14回旋加速器粒子加速后的最大速度或最大能量是多少，它們由什么因素決定？跟電壓大小有關系嗎？當粒子的q、m一定，其獲得的最大動能由磁感應強度B和回旋加速器的半徑R決定，與加速電壓的大小無關。2025/3/14回旋加速器帶電粒子在回旋加速器中被加速的次數是多少？2025/3/14回旋加速器帶電粒子在回旋加速器磁場中運動時間是多少？2025/3/14回旋加速器

粒子在回旋加速器中運動的總時間為

。

（一般忽略電場的加速時間）2025/3/14回旋加速器回旋加速器重要規律總結：

2025/3/14課堂小結質譜儀與回旋加速器

2025/3/14課堂練習

AD2025/3/14課堂練習（1）粒子在磁場中飛出的最大軌道半徑為D形盒的半徑，對應速度也最大，則有

最大動能為：

聯立解得：

所以粒子運動時間：

又粒子做勻速圓周運動的周期：

所以兩粒子動能關