- 质谱仪
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(2015秋•珠海期末)如图所示,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极相连接的两个D形金属盒,盒间狭缝中周期性变化的电场使粒子在通过狭缝时总能得到加速,金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,若要增大带电粒子射出金属盒时的动能,下列方法中正确的是( )
正确答案
解析
解:带电粒子从D形盒中射出时的动能 Ekm=mvm2 (1)
带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,则圆周半径 R=(2)
由(1)(2)可得Ekm=
显然,当带电粒子q、m一定的,则Ekm∝R2 B2
即Ekm随磁场的磁感应强度B、D形金属盒的半径R的增大而增大,与加速电场的狭缝间的电压和狭缝距离无关,
故选:CD.
回旋加速器的核心部分是两个半径为R的D型金属扁盒,如图,盒正中央开有一条窄缝,在两个D型盒之间加交变电压,于是在缝隙中形成交变电场,由于屏蔽作用,在D型盒内部电场很弱,D型盒装在真空容器中,整个装置放在巨大电磁铁的两极之间,磁场方向垂直于D型盒的底面,只要在缝隙中的交变电场的频率不变,便可保证粒子每次通过缝隙时总被加速,粒子的轨道半径不断增大,并逐渐靠近D型盒边缘,加速到最大能量E后,再用特殊的装置将它引出.在D型盒上半面中心出口A处有一正离子源,正离子所带电荷量为q、质量为m,加速时电极间电压大小恒为U.(加速时的加速时间很短,可忽略;正离子从离子源出发时初速为零).则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:AB、增大交变电压,则粒子经过电场加速动能变大,速度变化,在磁场中偏转的半径变大,则通过回旋加速器在磁场中偏转的次数减小,因为粒子在磁场中运动的周期T=,与速率无关,周期不变,则粒子在加速器中运行的时间将变短.故A正确,B错误.
C、根据动能定理得,正离子第n次穿过狭缝前,有,解得
,第n次穿过狭缝后,有
,解得
.则
.故C正确.
D、回旋加速器所加交变电压的周期等于粒子在磁场中运行的周期,因为,则最大速度v=
,则粒子的最大能量E=
,解得qB=
则交变电压的周期T=,所以f=
.故D错误.
故选:AC.
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极相连接的两个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的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列做法中正确的是( )
正确答案
解析
解:粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,
由牛顿第二定律得:qvB=m,
解得:v=,
粒子的动能:EK=mv2=
,
由EK=可知,增大q、B、D型盒的半径、减小粒子质量m可以增大粒子动能,
粒子的最大动能与加速电场的场强无关,与狭缝间的距离无关,故AC正确,BD错误.
故选:AC.
如图,用回旋加速器来加速带电粒子,以下说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、根据左手定则,通过粒子的偏转方向和磁场方向知,该电荷带正电.故A正确.
B、因为加速粒子时粒子在磁场中运动的周期与电场的变化周期相等,所以D形盒的狭缝间所加的电压为交变电压.故B正确.
C、洛伦兹力不做功,所以磁场不增加粒子的动能.故C错误.
D、粒子在磁场中运动的周期T=,与粒子的速度、半径无关.故D错误.
故选AB.
利用交变电压频率为7.67MHz的回旋加速器加速α粒子,可使它的能量达到48.2MeV.该回旋加速器的半径约为多大?(α粒子即氦核,质量约为质子的4倍,电量为质子的2倍,已知质子的质量为1.67×10-27kg)
正确答案
解:交变电压频率为7.67MHz,即为粒子在磁场中运动的频率,那么T==
;
而粒子的能量能达到48.2MeV,即=48.2MeV
由于做匀速圆周运动的半径公式R=,
综上所述,R=×
≈1m
答:该回旋加速器的半径约为1m.
解析
解:交变电压频率为7.67MHz,即为粒子在磁场中运动的频率,那么T==
;
而粒子的能量能达到48.2MeV,即=48.2MeV
由于做匀速圆周运动的半径公式R=,
综上所述,R=×
≈1m
答:该回旋加速器的半径约为1m.
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