【原】《质谱仪与回旋加速器》教学

电场、磁场联手控制带电粒子。

本节内容属于带电粒子在电磁场中的综合应用。电场和磁场都可以对带电粒子产生作用力，因此可以通过电场和磁场对粒子的运动进行控制。

核工业上需要对微观的带电粒子进行分离。常用的方法就是利用电、磁场对带电粒子有作用力这一特征，通过施加作用力来改变或控制粒子的运动轨迹，从而达到分离的目的。

一.电分离

分离：分道扬镳。通过电场的偏转可以实现。

前提：射入匀强电场的速度方向相同。

1. 带电粒子电性不同：垂直通过同一匀强电场，偏转方向发生变化，从而实现分离的目的。

2. 带电粒子电性相同：偏转角由此式决定，相关参量不同时，可使粒子发生分离。

二.磁分离   前提：射入磁场时粒子的速度方向相同

1. 异种电荷:以相同的速度方向进入同一匀强磁场中，磁场力方向不同，粒子偏转方向不同，实现分离。

2. 同种电荷：在匀强磁场中的偏转半径由此式决定：参量

   不同，偏转半径可能不同，可以分离离子。质谱仪原理。

   

三.升级版质谱仪——精挑细选带电粒子的利器。精度高到可以发现同位素。

原理：三个功能区

A.加速区；B.速选区；C.偏转区

只有速度，比荷满足要求的粒子才可被精准挑选出来。

四.回旋加速器

粒子物理中需要“”炮弹，炮弹打得“远”，关键看速度。粒子炮弹如何提速呢？

重力场中能否提速，理论可以，实际无效。人推马拉行不？

对对微观带电粒子，目前能实现其提速目的的只有电场。我国北京的正负电子对撞机，欧洲的核子中心，都是给带电粒子加速的大型设备。

实际给粒子加速时，电压大小有限，一次加速的效果欠佳，所以采用了多次加速，逐步提高的手段。

美国建成的世界最大加速器，长约三公里，占地面积十分可观。

如何实现既能加速，占地面积相对又小的熊掌和鱼兼得的美好结果呢？

磁场能否使粒子加速？

磁场能使粒子转圈，而且转动过程中速度大小不变，打出去可以转回来，就像武林高手耍飞镖，飞出去，转回来，加一次速，再转回来，再加一次速，电场加速，磁场回旋，周而复始，在小空间内实现加速的目的。

1930年，美国物理学家劳伦斯提出了回旋加速器的理论，1931年，他和他的学生利文斯顿一起，研制了世界上第一台回旋加速器，这台加速器的磁极直径只有10cm。并因此发明获得诺贝尔物理奖。

细节：

1. 电场加速，每加一次，粒子动能增加多少？
   

2. 计算粒子在每个半圆形磁场中的运动时间？

3. 电场方向如何变化呢？

弊端：加速有限制，根据相对论，粒子速度加到一定程度时，质量会发生明显的变化，导致在半圆形磁场中的运动时间不再相同，同步变化电场方向的难度增大。

通过本节两类仪器的原理学习，为带电粒子在多场作用下的问题提供解决思路，还是沿用牛顿运动定律的思路，弄清粒子所受合力和初速度，进一步分析，推断粒子的速度及轨迹。

从单场到多场，牛顿运动定律这条主线没变，通过学习，体会从单场到多场的处理思路，为更复杂的多场动力学问题提供解决思路。