第12天 质谱仪与回旋加速器 （原卷版）.docx

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1、整 12天 质谱仪与回旋加速器（预习篇）目录新知导航：熟悉课程内容、掌握知识脉络基础知识：知识点全面梳理，掌握必备,小试牛刀：基础题+中等难度题，合理应用1 .理解质谱仪各个部分的原理和作用，分析带电粒子的受力和运动情况7674737270Il III IJ Ts；。福二 、 、八 / 、7：、B 2 .理解带电粒子在回旋加速器中各个部分中的运动，利用相关规律解决问题一、质谱仪1 .原理：如图所示。2 .加速：带电粒子离开粒子源A无初速度进入质谱仪的加速电场，由动能定理得:3 .偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：4.由（2） （3）中两式可以求出粒子的半径”

2、 质量m、比荷日等。其中由r= 尸乎 可知电荷量相同时，半径IiLU / Cy将随质量变化。5.质谱仪的应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。二.回旋加速器1 .构造：两个半圆形金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接交流电 源，如图所示。2 .原理：粒子源产生的带电粒子在两盒之间的电场加速,在金属盒内做匀速圆周运动。经圆周之后， 金属盒间电场反向,粒子又被加速。如此，粒子一次次被加速使速度增加到很大。3 .条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期if回。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加 速，其轨道半径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期 Omu2 14 .最大动能：由B=

3、方和Ek=揖iA联立解得Ek=（R为D形盒的半径），即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与外m、B、R有关，与加速电压无关。1 .如图所示为质谱仪的原理示意图，现让某束离子（可能含有多种离子）从容器4下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场。经电场加速后垂直进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，在核乳胶片上形成、b 两条质谱线，则下列判断正确的是（uslA. q、b谱线的对应离子均带负电B.。谱线的对应离子的质量较大C. b谱线的对应离子的质量较大D. Q谱线的对应离子的比荷较大2 .质谱仪可以用来分析同位素。如图所示，带电粒子先经过加速电场，然后进入速度选择器，速度选择器内存在相互垂直磁感应强

4、度为B的匀强磁场和电场强度为E匀强电场。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒 子位置的胶片AA2,平板S下方有磁感应强度为Bo的匀强磁场。下列表说法确的是（）A.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于二C.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小D.同一带电粒子，磁感应强度8。越大，粒子打到胶片的位置越靠近狭缝P3 .多选一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示。D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为机、电荷量为必则下列说法正确的是（）A. D形盒之间交变电场的周期为部 QdB.质子被加速后

5、的最大速度随B、R的增大而增大C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大4 .如图所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，分别与高频交流电源连接，两个D形金 属盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两个D形金属盒处于垂直于盒底 的匀强磁场中，忽略粒子在电场中的运动时间，下列说法中正确的是（）A.粒子射出时的最大动能与D形金属盒的半径无关b.加速电压越大，粒子最终射出时获得的动能就越大c.若增大加速电压，粒子在回旋加速器中运动的时间将减少D.若增大磁感应强度B,为保证粒子总被加速，必须减小周期性变化电场的频 率5 .（多选）如图所示，质谱仪由两部分

6、区域组成，左侧M、N是对水平放置的平行金属板，分别接到直流电源两极上，板间在较大范围内存在着电场强度为E的匀强电场和磁感应强度大小为 的匀强磁场，右侧是磁感应强度大小为生的另匀强磁场.一束带电粒子（不计重力 ）由左端射入质谱仪后沿水平直线运动，从SO点垂直进入右侧磁场后分成甲、乙两 束，其运动轨迹如图所示，两束粒子最后分别打在乳胶片的4、舄两个位置，S。、44、舄三点在同一条整直线上，且So6=So%则下列说法正确的是（EA.两束粒子的速度都是吉B.甲束粒子的比荷小于乙束粒子的比荷C.若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量比为4： 3D.若甲、乙两束粒子的质量相等，则甲、乙两束粒

7、子的电荷量比为4： 3高频电源 X /6 .（多选）某型号的回旋加速器的工作原理如图所示（俯视图），D形盒内存在匀强磁场，磁场的磁感应强度为B, D形盒半径为R,两盒间狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间忽略不计。设质核（；H）从粒子源八处射入加 速电场的初速度不计，笊核质量为m、带电荷量为q,加速器接频率为/的高频交流电源，其电压为U,不计重 力，不考虑相对论效应，下列正确的是（）A.质核第1次经过狭缝被加速后进入D形盒运动轨道的半径为只增大电压U,笊核从D形盒出口处射出时的动能不变C.不改变磁感应强度B和交流电频率/,该回旋加速器不能加速氢核（；He）0 TFT TpD.不改变磁感应强度B和交

8、流电频率/,该回旋加速器也能加速氢核（；He）“ X I X肉 I XB. t1 a27 .如图所示，两金属板间有水平方向（垂直纸面向里）的匀强磁场和竖直向下的匀强电场，一带正电、质量为 m的小球垂直于电场和磁场方向从。点以速度%飞入此区域，恰好能沿直线从P点飞出此区域，如果只将电场 方向改为竖直向上，则小球做匀速圆周运动，加速度大小为%,经时间,从板间的右端Q点飞出，。与P间 的距离为为：如果同时撤去电场和磁场，小球加速度大小为电，经时间%2从板间的右端b点以速度飞出，b 与P间的距离为为，。、b两点在图中未标出，则一定有（）8 .如图所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器

9、组成，若静电分析器通道中心线的半径为通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为石，磁分析器有范围足够大的I u电分析器有界匀强磁场，磁感应强度大小为5、方向垂直纸面向外。一质量为机、电荷量为夕的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由尸点垂直边界进入磁分7i5 P析器，最终打到胶片上的。点。不计粒子重力，下列说法正确的是（）A.粒子一定带负电8 .加速电场的电压EHC.直径 PQ = qmERD.若一群离子从静止开始经上述过程都落在胶片上同一点，则该群离子具有不相同的比荷9 .用来加速带电粒子的回旋加速器的结构示意图如图甲所示，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两

10、金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间看的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是()A.在Ek图像中应有以一看313 1%2%2一介IB.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大/Okc.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大L-HD.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积啰口 。: S甲乙10 . 2023年10月11日至14日，第九届中国二次离子质谱会议(SIMSChina IX)在沈阳举行。某种质谱仪的磁 场偏转部分如图所示，一个带正电的粒子经狭缝S后以速度V垂直MN进入偏转磁场，最后打在荧光屏上的H 点。

11、已知磁场的磁感应强度大小为稣，方向垂直纸面向外。已知S、H两点间的距离为,粒子重力忽略不 计。(1)在图中标记圆心位置。，并画出粒子在磁场中运动的轨迹；(2)求带电粒子的比荷：；M N(3)求带电粒子在磁场中运动的时间九11 .质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，其构造原理如图所示，离子源S产生质量为 m、电荷量为q、初速度为。的某种正离子，离子经过电压U加速后形成离子流，然后从，处垂直于磁场进入 矩形ABCD区域内的匀强磁场中，运动半周到达记录它的照相底片上的P点，已知P与S的距离为X,离子形 成的等效电流为/。求：(1)磁场的磁感应强度；(2)在时间t内到达照相底片P上的离子个数。12 .某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A为粒子加速器，加速电压3=5l03V; B为速度选择器，磁场与电磁正交，磁感应强度为Bi=O.1T,两板间距离为d=5cm； C为偏转分离器，磁感应强度为Bz=0.5T.今有一质量为m=L0xl0-25kg、电荷量为q=L6lO-i8c的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器, 粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：(1)粒子经过加速器后的速度为多大？(2)速度选择器两板间电压3为多大？(3)粒子在无磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？