【精品】高二物理 （人教大纲版）第二册 第十五章 磁场 六、回旋加速器(备课资料)VIP免费

●备课资料一、关于回旋加速器的两个问题回旋加速器是用来使带电粒子加速的仪器，它的内部存在着互相垂直的两个场——交变电场（电势差为U）和匀强磁场（磁感应强度为B），交变电场用来使带电粒子加速，而匀强磁场只用来使带电粒子旋转，回旋加速器的名称即由此而来.它的优点在于能在较小的空间范围内让粒子受到多次电场的加速.回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒，这两个D形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半，两个D形盒之间留一个狭缝，在中心附近放有粒子源，交变电场就加在两个D形盒之间的狭缝处，而匀强磁场则垂直于D形盒的底面.为了保证粒子在匀强磁场中每转半圈都正好赶上适合的电场方向而被加速，要求高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动周期相同，当然这其中忽略了带电粒子被加速所需的时间.根据它的工作原理，回旋加速器一次可以同时加速一束同种带电粒子，加速后这束带电粒子的能量都相同.那么它能不能同时加速一束多种带电粒子，或同时加速一对电量和质量都相等的正离子和负离子呢？现分析如下：根据回旋加速器的工作原理，只要带电粒子的电量和质量的比值相等，它们经过同一加速电场的第一次加速后所获得的速度v1=是相等的；它们以此速度垂直进入匀强磁场后做匀速圆周运动的半径R=mv1/Bq是相等的；周期T=2πm/Bq也是相等的.转了半圈后经过加速电场的第二次加速后所获得的速度v2=仍然是相等的，甚至它们被加速一次所需的时间t=d也是相等的（d为狭缝宽度）.由此我们完全可以断定，多种带电粒子（带同种电荷），只要它们的电量和质量的比值相等，它们在回旋加速器中的运动完全是同步的，完全可以同时被回旋加速器加速，而且加速后这些带电粒子的速度都相同.那么为什么不能同时加速一对电量和质量都相等的正离子和负离子呢？那是由于它们带异种电荷，所以在电场和磁场中的运动方向总是相反的，这样，它们在运动过程中就要发生相撞，即使能够想办法使它们开始运动的时刻相隔半个周期，但由于回旋加速器的出口只有一个，加速后的离子也只能飞出一种.在高中物理练习中经常要求把一些不同的带电粒子分开，例如分开“具有相同动能的质子和α粒子”.由于它们在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径相等而周期不等（α粒子的周期是质子的两倍），有的学生由此认为利用匀强磁场不能做到.但有的学生却能联系到回旋加速器的工作原理，想到利用回旋加速器可以把它们分开：只要使高频交流电源的周期与质子在D形盒中运动周期相同，我们就可以使质子从回旋加速器中飞出，而α粒子只能在原地打转却飞不出来.二、回旋加速器1.回旋加速器的发明图1科学家在研究原子核的结构时，采用了高速运动的亚原子粒子去轰击原子核，早在1906年，卢瑟福就利用放射性物质释放的高速α粒子来轰击物质.1919年他成功地从氮原子核中打出了质子，使氮原子核变成氧原子核，然而使用天然产生的α粒子作为轰击物，有很大的局限性，带正电的α粒子与带正电的原子核相互排斥，要消耗很大的能量；而天然产生的带电粒子的能量是有限的，为了得到更高能量的带电粒子，物理学家们开始尝试设计一种产生高能量带电粒子的实验设备——加速器.我们知道电场可以使带电粒子加速，增加带电粒子的能量，如图1所示，这就是早期的加速器的原理，这种加速器可以通过增加电极间的电压来提高粒子的速度与能量，但这种加速器的发展受到高压绝缘的限制，因此，人们就想利用较低的电压，采用多级加速使粒子获得高能量.如图2所示，要想达到越来越高的能量，就必须使设备的长度增加到数英里长，从而变得庞大而不实用.1931年，加利福尼亚大学的欧内斯特·O·劳伦斯（ErnestO.Lawrence）提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使粒子沿着磁极之间做螺旋线运动，把长长的电极像卷尺那样卷起来，这样就可以在有限的场地装设比原来长许多倍的电极，他把这种设备叫做“回旋加速器”.开始时，劳伦斯制作的回旋加速器模型结构简陋，真空室的直径只有10.2cm，1932年，他又制作了可以实用的回旋加速器，用黄铜和封腊作真空室，直径也只有11.4cm，加上不到1kV电压之后，可将质子加速到80000eV，不到1kV的电压，达到80kV的加速...