上课3.6-带电粒子在匀强磁场中的运动.ppt
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1、上课上课3.6-3.6-带电粒子在匀强带电粒子在匀强磁场中的运动磁场中的运动古往今来,人们一直在思考、探索:世界古往今来,人们一直在思考、探索:世界万物究竟是由什么构成的?它有最小的基本万物究竟是由什么构成的?它有最小的基本结构吗?面对微观世界的结构吗?面对微观世界的“基本基本”粒子,人粒子,人类不断思考:有没有办法使带电粒子获得高类不断思考:有没有办法使带电粒子获得高能量,然后去轰击原子核,通过观察它们的能量,然后去轰击原子核,通过观察它们的变化来探索物质的微观世界?变化来探索物质的微观世界?“要做更多的仪器,还要更多地要做更多的仪器,还要更多地测量。测量。”阿斯顿阿斯顿课堂引入课堂引入课堂
2、引入课堂引入了解阿斯顿了解阿斯顿了解阿斯顿了解阿斯顿 阿斯顿(阿斯顿(阿斯顿(阿斯顿(Francis Wi11iam AstonFrancis Wi11iam AstonFrancis Wi11iam AstonFrancis Wi11iam Aston)是英国物理学家,擅)是英国物理学家,擅)是英国物理学家,擅)是英国物理学家,擅长实验,知识渊博,自英国伯明翰大学毕业后,就到著名的长实验,知识渊博,自英国伯明翰大学毕业后,就到著名的长实验,知识渊博,自英国伯明翰大学毕业后,就到著名的长实验,知识渊博,自英国伯明翰大学毕业后,就到著名的卡文迪许实验室当了汤姆逊的助手。他长期从事同位素和质卡文迪
3、许实验室当了汤姆逊的助手。他长期从事同位素和质卡文迪许实验室当了汤姆逊的助手。他长期从事同位素和质卡文迪许实验室当了汤姆逊的助手。他长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来对许多元素对许多元素对许多元素对许多元素 的同位素及其丰的同位素及其丰的同位素及其丰的同位素及其丰度进行测量,从而肯定了同位度进行测量,从而肯定了同位度进行测量,从而肯定了同位度进行测量,从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同素的普遍存在。
4、同时根据对同素的普遍存在。同时根据对同素的普遍存在。同时根据对同位素的研究,他还提出了元素位素的研究,他还提出了元素位素的研究,他还提出了元素位素的研究,他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获质量的整数法则。因此他荣获质量的整数法则。因此他荣获质量的整数法则。因此他荣获了了了了1922192219221922年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。1945 1945 1945 1945年年年年11111111月月月月20202020日,阿斯顿日,阿斯顿日,阿斯顿日,阿斯顿在剑桥大学因病逝世,终年在剑桥大学因病逝世,终年在剑桥大学因病逝世,终年在剑桥大学因病逝世
5、,终年68686868岁。他制作和发明的许多仪器岁。他制作和发明的许多仪器岁。他制作和发明的许多仪器岁。他制作和发明的许多仪器都妥善地保存在伦敦博物馆和都妥善地保存在伦敦博物馆和都妥善地保存在伦敦博物馆和都妥善地保存在伦敦博物馆和卡文迪许实验室博物馆内。卡文迪许实验室博物馆内。卡文迪许实验室博物馆内。卡文迪许实验室博物馆内。介绍球形电子射线管介绍球形电子射线管介绍球形电子射线管介绍球形电子射线管球形电子射线管实验球形电子射线管实验球形电子射线管实验球形电子射线管实验带电粒子在磁场中的运动规律带电粒子在磁场中的运动规律带电粒子在磁场中的运动规律带电粒子在磁场中的运动规律F F F F洛洛洛洛1
6、1、若带电粒子运动方、若带电粒子运动方向与磁场方向平行向与磁场方向平行(vBvB),则粒子不受,则粒子不受洛伦兹力的作用,粒子洛伦兹力的作用,粒子作作匀速直线运动匀速直线运动;B Bv v2 2、若带电粒子的运动方、若带电粒子的运动方向与磁场方向互相垂直向与磁场方向互相垂直(vBvB),则粒子在洛伦,则粒子在洛伦兹力作用下,将作兹力作用下,将作匀速匀速圆周运动圆周运动匀强磁场中带电粒子的匀速圆周运动匀强磁场中带电粒子的匀速圆周运动匀强磁场中带电粒子的匀速圆周运动匀强磁场中带电粒子的匀速圆周运动1 1 1 1、向心力由洛仑兹力提供、向心力由洛仑兹力提供、向心力由洛仑兹力提供、向心力由洛仑兹力提供
7、2 2 2 2、轨道半径公式、轨道半径公式、轨道半径公式、轨道半径公式3 3 3 3、周期、周期、周期、周期 周期与运动速率无关,周期与运动速率无关,周期与运动速率无关,周期与运动速率无关,仅由粒子本身及磁场决定。仅由粒子本身及磁场决定。仅由粒子本身及磁场决定。仅由粒子本身及磁场决定。角速度角速度角速度角速度带电粒子在气泡室中的径迹带电粒子在气泡室中的径迹带电粒子在气泡室中的径迹带电粒子在气泡室中的径迹质谱仪质谱仪1 1 1 1、电场中加速、电场中加速、电场中加速、电场中加速2 2 2 2、磁场中的匀、磁场中的匀、磁场中的匀、磁场中的匀速圆周运动:速圆周运动:速圆周运动:速圆周运动:所测粒子的
8、荷质比:所测粒子的荷质比:所测粒子的荷质比:所测粒子的荷质比:1 1 1 1、质谱线:容器、质谱线:容器、质谱线:容器、质谱线:容器A A A A中含有电荷量相同而质量不同的粒子,中含有电荷量相同而质量不同的粒子,中含有电荷量相同而质量不同的粒子,中含有电荷量相同而质量不同的粒子,进入磁场后将做不同半径的圆周运动,打到照相底片进入磁场后将做不同半径的圆周运动,打到照相底片进入磁场后将做不同半径的圆周运动,打到照相底片进入磁场后将做不同半径的圆周运动,打到照相底片D D D D的的的的不同地方,形成谱线状的细条。不同地方,形成谱线状的细条。不同地方,形成谱线状的细条。不同地方,形成谱线状的细条。
9、2 2 2 2、质谱仪:每一条谱线、质谱仪:每一条谱线、质谱仪:每一条谱线、质谱仪:每一条谱线对应一定的质量,从谱对应一定的质量,从谱对应一定的质量,从谱对应一定的质量,从谱线位置可测知半径,若线位置可测知半径,若线位置可测知半径,若线位置可测知半径,若已知粒子的带电量已知粒子的带电量已知粒子的带电量已知粒子的带电量q q q q,就,就,就,就可求出粒子的质量可求出粒子的质量可求出粒子的质量可求出粒子的质量m m m m。3 3 3 3、利用质谱仪对某种元、利用质谱仪对某种元、利用质谱仪对某种元、利用质谱仪对某种元素进行测量,可以准确素进行测量,可以准确素进行测量,可以准确素进行测量,可以准
10、确地测出各种同位素的原地测出各种同位素的原地测出各种同位素的原地测出各种同位素的原子量。子量。子量。子量。锗锗4 4 4 4、质谱仪是测量带电粒、质谱仪是测量带电粒、质谱仪是测量带电粒、质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素子的质量和分析同位素子的质量和分析同位素子的质量和分析同位素的重要工具。的重要工具。的重要工具。的重要工具。质谱仪最初是由汤姆生质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的,他的学生阿斯顿设计的,他用质谱仪首先得到了氖用质谱仪首先得到了氖-20-20和氖和氖-22-22的质谱线,证实了的质谱线,证实了同位素的存在。同位素的存在。质谱仪质谱仪质谱仪质谱仪早期的直线加速器早期的直线加
11、速器早期的直线加速器早期的直线加速器2 2、特点:、特点:高压电源高压电源粒子获得最高能粒子获得最高能量可达量可达10Mev10MevU UE EK K=mv=mv2 2/2=qU/2=qU1 1、原理:利用电、原理:利用电场加速带电粒子场加速带电粒子直线加速器直线加速器直线加速器直线加速器 加速原理:由动能定理得,带电粒子加速原理:由动能定理得,带电粒子经经n n级的电场加速后,增加的动能为:级的电场加速后,增加的动能为:通过多级加速获得高能粒子通过多级加速获得高能粒子通过多级加速获得高能粒子通过多级加速获得高能粒子多级直线加速器应具备的条件:多级直线加速器应具备的条件:多级直线加速器应具备
12、的条件:多级直线加速器应具备的条件:为了保证带电粒子一直加速,应采用交变为了保证带电粒子一直加速,应采用交变为了保证带电粒子一直加速,应采用交变为了保证带电粒子一直加速,应采用交变电源提供加速电压,且在加速电场以外的区域电源提供加速电压,且在加速电场以外的区域电源提供加速电压,且在加速电场以外的区域电源提供加速电压,且在加速电场以外的区域需静电屏蔽,同时还要求电场交替变化的周期需静电屏蔽,同时还要求电场交替变化的周期需静电屏蔽,同时还要求电场交替变化的周期需静电屏蔽,同时还要求电场交替变化的周期与带电粒子运动的变化周期同步。与带电粒子运动的变化周期同步。与带电粒子运动的变化周期同步。与带电粒子
13、运动的变化周期同步。筒间加速筒间加速筒间加速筒间加速筒内静电屏蔽筒内静电屏蔽筒内静电屏蔽筒内静电屏蔽 直线加速器占有的空间范围大,在有限的空直线加速器占有的空间范围大,在有限的空直线加速器占有的空间范围大,在有限的空直线加速器占有的空间范围大,在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。间范围内制造直线加速器受到一定的限制。间范围内制造直线加速器受到一定的限制。间范围内制造直线加速器受到一定的限制。直线加速器直线加速器直线加速器直线加速器直线加速器直线加速器直线加速器直线加速器回旋加速器回旋加速器 1932 1932 1932 1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,年美国物理学家劳
14、伦斯发明了回旋加速器,年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,实现了在实现了在实现了在实现了在较小的空间范围较小的空间范围较小的空间范围较小的空间范围内进行多级加速。内进行多级加速。内进行多级加速。内进行多级加速。了解劳伦斯了解劳伦斯了解劳伦斯了解劳伦斯 劳伦斯劳伦斯劳伦斯劳伦斯(Ernest Orlando RawrenceErnest Orlando RawrenceErnest Orlando RawrenceErnest Orlando Rawrence)是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者,是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者,是美国著名物理学
15、家、回旋加速器的发明者,是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者,1901190119011901年年年年8 8 8 8月月月月8 8 8 8日出生于美国达科他州南部的坎顿,是一个教书世家,其祖父及父母都是教师,他年仅日出生于美国达科他州南部的坎顿,是一个教书世家,其祖父及父母都是教师,他年仅日出生于美国达科他州南部的坎顿,是一个教书世家,其祖父及父母都是教师,他年仅日出生于美国达科他州南部的坎顿,是一个教书世家,其祖父及父母都是教师,他年仅30303030岁就闻名于全世界。岁就闻名于全世界。岁就闻名于全世界。岁就闻名于全世界。1930193019301930年,劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学
16、担任物理学教授。为了研究核物理,劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于年,劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理,劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于年,劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理,劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于年,劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理,劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939193919391939年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。年获
17、诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。1940194019401940年,劳伦斯成为麻省理工学院内的年,劳伦斯成为麻省理工学院内的年,劳伦斯成为麻省理工学院内的年,劳伦斯成为麻省理工学院内的另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人,有八人获诺贝尔奖的殊荣,其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者,另外四人则是以别的方式同另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人,有八人获诺贝尔奖的殊荣,其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者,另外四人则是以别的方式同另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人,有八人获诺贝尔奖的殊荣,其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者,另外
18、四人则是以别的方式同另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人,有八人获诺贝尔奖的殊荣,其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者,另外四人则是以别的方式同“辐射实验室辐射实验室辐射实验室辐射实验室”有联系的。有联系的。有联系的。有联系的。回旋加速器的原理回旋加速器的原理 原理原理原理原理:利用电场对带电粒子的加速作用和磁场:利用电场对带电粒子的加速作用和磁场:利用电场对带电粒子的加速作用和磁场:利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子,这些过对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子,这些过对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子,这些过对运动电荷的偏转作用来获得高能粒
19、子,这些过程在回旋加速器的核心部件程在回旋加速器的核心部件程在回旋加速器的核心部件程在回旋加速器的核心部件两个两个两个两个D D D D形盒和其间形盒和其间形盒和其间形盒和其间的窄缝内完成。的窄缝内完成。的窄缝内完成。的窄缝内完成。回旋加速器的原理回旋加速器的原理1 1 1 1、磁场的作用磁场的作用磁场的作用磁场的作用:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后,并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其周期强磁场后,并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其周期强磁场后,并在洛伦兹力作用下
20、做匀速圆周运动,其周期强磁场后,并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其周期和速率、半径均无关,带电粒子每次进入和速率、半径均无关,带电粒子每次进入和速率、半径均无关,带电粒子每次进入和速率、半径均无关,带电粒子每次进入D D D D形盒都运动相等形盒都运动相等形盒都运动相等形盒都运动相等的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速。的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速。的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速。的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速。2 2 2 2、电场的作用电场的作用电场的作用电场的作用:回旋加速器的两个:回旋加速器的两个:回旋加速器的两个:回旋加速器
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- 上课 3.6 带电 粒子 磁场 中的 运动
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