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(共17張PPT)
4.質譜儀與回旋加速器
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。
金屬圓筒（漂移管）內場強為零，粒子在圓筒內做勻速直線運動，在圓筒間縫隙做加速運動。
直線加速器
如圖所示，直線加速器是使粒子在一條直線裝置上被加速.
漂移管
加速縫隙
交流電源
電源為交流電源，當粒子在各筒內穿過的時間都為t=T/2時，粒子才有可能每次通過圓筒間縫隙都被加速.
一臺直線加速器“麻雀雖小，五臟俱全”，它包含著一般加速器應具備的幾個基本要素：
1.利用電場加速帶電粒子；
2.通過多級加速獲得高能粒子；
3.將加速電場以外的區域靜電屏蔽；
4.采用交變電源提供電壓；
5.電壓交替變化與帶電粒子運動應滿足同步條件。
能不能建造一種加速器，在較小的空間范圍內讓粒子經過多次加速獲得所需要的能量呢？
1932年美國科學家勞倫斯發明了回旋加速器，巧妙的應用帶電粒子在磁場中運動特點解決了這一問題。
直線加速器的缺點：
體積通常較大，占地面積大。
一. 回旋加速器
1.構造:
運動一周加速兩次，v、r變大，但周期不變
3.最大動能:
4.加速次數：
2.原理:
(t與q,m無關)
(由B,Rm決定)
如圖，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒處于勻強磁場中，D形盒的縫隙處接交流電源．
電場使粒子加速（加速過程時間極短,忽略不計),磁場使粒子回旋（勻速圓周運動）
問題1:要讓粒子持續加速,T交與T圓滿足什么關系？
問題2:粒子運動一周，加速幾次？v,r,T如何變？
T交=T圓
f交=f圓
n=Ekm/qU
5.運動總時間:
(n與U有關)
美國物理學家 勞倫斯
1932年，美國物理學家勞倫斯正是沿著與上述相仿的巧妙思路，發明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步。為此，勞倫斯獲得了1939年的諾貝爾物理學獎。
1.如圖甲所示是用來加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個D形金屬盒，在加速帶電粒子時，兩金屬盒置于勻強磁場中，兩盒分別與高頻交流電源相連。帶電粒子在磁場中運動的動能Ek隨時間t的變化規律如圖乙所示。忽略帶電粒子在電場中的加速時間，則下列判斷正確的是(　　)
A.在Ek－t圖像中應有t4－t3B.加速電壓越大，粒子最后獲得的動能就越大
C.粒子加速次數越多，粒子最大動能一定越大
D.要想粒子獲得的最大動能增大，可增加D形盒的面積
D
2. (多選)1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示。這臺加速器由兩個銅質D形盒D1、D2構成，其間留有空隙，所加交變電壓極性變化時，電壓值不變。下列說法正確的是(　　)
A.所加交變電壓的周期等于帶電粒子圓周運動周期的一半
B.利用回旋加速器加速帶電粒子，要提高加速粒子的最終能量，應盡可能增大磁感應強度B和D形盒的半徑R
C.回旋加速器的加速電壓越大，帶電粒子獲得的最大動能越大
D.粒子每次經過D形盒狹縫時，電場力對粒子做功一樣多
BD
3.(多選)用回旋加速器對粒子進行加速，可以獲得高能帶電粒子，兩個D形盒與電壓有效值為U的高頻交流電源的兩極相連(頻率可調)，在兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，磁感應強度為B，如圖所示，粒子由速度為零開始加速，不計粒子在兩極板間運動的時間，關于回旋加速器的使用，下列說法正確的是( )　
A．兩盒間狹縫中交變電場的頻率跟帶電粒子的比荷成正比
B．不同的帶電粒子在同一回旋加速器(頻率相同)中運動的總時間相同
C．帶電粒子在磁場中運動時，受到的洛倫茲力不做功，因此帶電粒子從D形盒射出時的動能與磁場的強弱無關
D．盡管兩盒間狹縫中電場對帶電粒子起加速作用，但是帶電粒子從D形盒射出時的動能與加速電壓的大小無關
　
ABD
4.回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強電場，使粒子每次穿過窄縫都得到加速，兩盒放在磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運動軌跡如圖所示:
(1)盒中有無電場？
(2)粒子在盒內做何種運動？
(3)所加交流電頻率應是多大，粒子角速度為多大？
(4)粒子離開加速器時速度是多大，最大動能為多少？
(5)設兩D形盒間電場的電勢差為U，求加速到上述能量所需的時間．(不計粒子在電場中運動的時間)
二.質譜儀：
測定粒子荷質比的儀器
在磁場中的圓周半徑r
洛倫茲力的應用
加速電場
偏轉磁場
結構圖：
應用：可以測定帶電粒子的質量和分析同位素。
1. 如圖，從離子源產生的甲、乙兩種離子，由靜止經加速電壓U加速后在紙面內水平向右運動，自M點垂直于磁場邊界射入勻強磁場，磁場方向垂直于紙面向里，磁場左邊界豎直。已知甲種離子射入磁場的速度大小為v1，并在磁場邊界的N點射出；乙種離子在MN的中點射出，MN長為l。不計重力影響和離子間的相互作用。求
(1)磁場的磁感應強度大小；
(2)甲、乙兩種離子的比荷之比。
2.(質譜儀)質譜儀測定帶電粒子質量的裝置示意圖如圖所示。速度選擇器(也稱濾速器)中電場強度E的方向豎直向下，磁感應強度B1的方向垂直于紙面向里，分離器中磁感應強度B2的方向垂直于紙面向外。在S處有甲、乙、丙、丁四個一價正離子垂直于E和B1射入速度選擇器中，若m甲＝m乙A.甲、乙、丙、丁
B.甲、丁、乙、丙
C.丙、丁、乙、甲
D.甲、乙、丁、丙
B
3.其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定．質子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經勻強磁場偏轉后從出口離開磁場．若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經勻強磁場偏轉后仍從同一出口離開磁場,需將磁感應強度增加到原來的12倍．此離子和質子的質量比約為(　　)
A．11 B．12 C．121 D．144
D
5.如圖所示，兩平行金屬板間距為d，電勢差為U，板間電場可視為勻強電場；金屬板下方有一磁感應強度為B的勻強磁場。帶電量為＋q、質量為m的粒子，由靜止開始從正極板出發，經電場加速后射出，并進入磁場做勻速圓周運動。忽略重力的影響，求：
(1)粒子進入磁場時的速度；
(2)粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑R；
(3)從開始運動到打在極板上所用的時間。
6.如圖為質譜儀的示意圖．速度選擇部分的勻強電場場強E＝1.2×105 V/m，勻強磁場的磁感應強度為B1＝0.6 T．偏轉分離器的磁感應強度為B2＝0.8 T．求：
(1)能通過速度選擇器的粒子速度有多大？
(2)質子和氘核進入偏轉分離器后打在底片上的條紋之間的距離d為多少？(質子的荷質比e/m=108C/kg,氘核荷質比為q/m=0.5×108C/kg)

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