第4节　质谱仪与回旋加速器

1．填一填(1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。(2)原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得2．判一判(1)只要带电粒子的电荷量相同，经加速电场加速后的末速度都相同。

(

)(2)只要带电粒子的质量不同，打在照相底片上的位置就不同。

(

)(3)利用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。

(

)××√1．填一填(1)多级加速器①各加速区的两极板用独立电源供电。②要获得高能量的粒子，加速器装置要很长。(2)回旋加速器①构造：如图所示，D1、D2是两个中空的半圆金属盒，D形盒的缝隙处接

电源。D形盒处于匀强磁场中。②原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期

，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速。③周期：粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子绕圆周运动的周期

。交流相等不变2．判一判(1)直线多级加速器的电源正、负极不用作周期性改变。

(

)(2)在回旋加速器中，粒子运动一周被加速两次。

(

)(3)回旋加速器是利用磁场控制轨道，用电场进行加速的。

(

)3．想一想回旋加速器中所加的交变电压的周期由什么决定？提示：由于回旋加速器工作时，必须满足交变电压周期和粒子在磁场中运动周期相同，即粒子在磁场中的运动周期决定了电压周期。√√√[素养训练]1.(多选)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，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作0)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到进入磁场处的距离为x，可以判断

(

)A．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越大B．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越小C．只要x相同，则离子的比荷一定相等D．只要x相同，则离子的质量一定相等2.现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比值约为

(

)A．11

B．12C．121 D．1443.(多选)质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用这种质谱仪对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中。氢的三种同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。关于三种同位素进入磁场时速度的排列顺序以及a、b、c三条“质谱线”的排列顺序，下列判断正确的是

(

)A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚B．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕C．a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氕、氘、氚D．a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器，为进行人工可控核反应提供了强有力的工具，大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。讨论：(1)在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自电场，还是磁场？(2)带电粒子从回旋加速器中出来时的最大动能与哪些因素有关？2．交变电压的周期为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速，须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压，所以交变电压的周期由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。3．带电粒子的最终能量

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B，两盒分别与交流电源相连。下列说法正确的是

(

)A．质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大B．质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值D．不需要改变任何量，这个装置也能用于加速α粒子[素养训练]1.(多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是

(

)A．增大匀强电场间的加速电压B．增大磁场的磁感应强度C．减小狭缝间的距离D．增大D形金属盒的半径2．如图所示为回旋加速器的工作原理示意图，D形金属盒置于真空中，半径为R，两金属盒间的狭缝很小，磁感应强度大小为B的匀强磁场与金属盒盒面垂直，高频交流电的频率为f，加速电压为U，若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m，电荷量为＋e)在加速器中被加速。不考虑相对论效应，则下列说法正确的是

(

)A．加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大B．不改变磁感应强度B和交流电的频率f，该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子C．质子加速后的最大速度不能超过2πRfD．质子第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶13.如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在AC板间，虚线中间不需加电场，如图所示，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是

(

)A．带电粒子每运动一周被加速两次B．带电粒子每运动一周P1P2＝P3P4C．加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关D．加速电场方向需要做周期性的变化如图所示为磁流体发电机的示意图，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电荷和带负电荷的微粒，而从整体来说呈电中性)沿图中所示方向喷射入磁场。(1)A、B两极板中哪个极板电势高？(2)电源的电动势大小与哪些因素有关？提示：(1)B极板电势高。(2)电源的电动势与磁感应强度、两极板间距、等离子体的速度有关。

如图所示为一速度选择器(滤速器)的原理图。K为电子枪，由枪中沿KA方向射出的电子，速度大小不一。当电子通过方向互相垂直的匀强电场和磁场后，只有一定速率的电子能沿直线前进，并通过小孔S。设产生匀强电场的平行板间的电压为300V，间距为d＝5cm，垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06T，问：(1)磁场的方向应该垂直纸面向里还是垂直纸面向外；(2)速度为多大的电子才能通过小孔S。速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件具有相同的特点，即在稳定状态时，电荷所受的洛伦兹力与电场力均等大反向。[素养训练]1.(多选)利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧面会形成电势差UCD，下列说法中正确的是

(

)A．电势差UCD仅与材料有关B．若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD＜0C．仅增大磁感应强度时，电势差UCD变大D．在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平解析：电势差UCD与磁感应强度B、材料有关，选项A错误；若霍尔元件的载流子是自由电子，由左手定则可知，电子向C侧面偏转，则电势差UCD＜0，选项B正确；仅增大磁感应强度时，电势差UCD变大，选项C正确；在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持竖直且东西方向放置，选项D错误。答案：BC

2．如图所示是磁流体发电机的示意图，两平行金属板P、Q之间有一个很强的磁场。一束等离子体(高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)沿垂直于磁场方向喷入磁场。将P、Q与电阻R相连接。下列说法正确的是

(

)A．P板的电势低于Q板的电势B．通过R的电流方向由b指向aC．若只改变磁场强弱，则通过R的电流保持不变D．若只增大粒子入射速度，则通过R的电流增大一、培养创新意识和创新思维1．(多选)自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁铁靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在洛伦兹力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是(

)A．根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小B．自行车的车速越大，霍尔电势差越高C．图乙中霍尔元件的电流I是由正电荷定向运动形成的D．如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小二、注重学以致用和思维建模2．(多选)利用质谱仪可分析碘的各种同位素。如图所示，电荷量均为q的带正电荷的131I和127I质量分别为