质谱仪_章节学习

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题型：简答题

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简答题

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．它的构造原理如图所示，离子源S产生电荷量为q的某种正离子，离子产生时的速度很小，可以看作是静止的，离子经过电压U加速后形成离子流，然后垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，沿着半圆周运动而到达记录它的照相底片P上．实验测得，它在P上的位置到入口处S1的距离为a，离子流的电流为I．请回答下列问题：

（1）在时间t内到达照相底片P上的离子的数目为多少？

（2）单位时间内穿过入口S1处离子流的能量为多大？

（3）试求这种离子的质量m？．

正确答案

解：（1）在时间t内射到照相底片P上的离子总电量为：

Q=It

在时间t内射到照相底片P上的离子数目为：

n==

（2）在时间t内穿过入口处S1离子束流的能量为：

E总=UQ=UIt

单位时间穿过入口处S1离子束流的能量为：

E===UI

（3）离子在电场中做加速运动得：

Uq=mv2 （1）

在磁场中运动有：

Bvq= （2）

由（1）（2）得：m=．

答：（1）在时间t内射到照相底片P上的离子的数目为．

（2）单位时间穿过入口处S1离子束流的能量为UI．

（3）离子的质量m=．

解析

解：（1）在时间t内射到照相底片P上的离子总电量为：

Q=It

在时间t内射到照相底片P上的离子数目为：

n==

（2）在时间t内穿过入口处S1离子束流的能量为：

E总=UQ=UIt

单位时间穿过入口处S1离子束流的能量为：

E===UI

（3）离子在电场中做加速运动得：

Uq=mv2 （1）

在磁场中运动有：

Bvq= （2）

由（1）（2）得：m=．

答：（1）在时间t内射到照相底片P上的离子的数目为．

（2）单位时间穿过入口处S1离子束流的能量为UI．

（3）离子的质量m=．

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题型：多选题

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多选题

回旋加速器是加速带电粒子的装置．其主体部分是两个“D”形金属盒，两金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，并分别与高频交流电源的两极相连接，从而使粒子每次经过两盒间的狭缝时都得到加速，如图所示．对于其原理的分析，下列说法正确的是（　　）

A电场和磁场都对粒子起到一定的加速作用

B用同样的交变电源对不同比荷的粒子加速时，磁感应强度应不同

C增大高频交流电压，可增大加速粒子的最后的动能

D增大金属盒的半径，可增大加速粒子的最后的动能

正确答案

B,D

解析

解：A、电场起加速作用，磁场起偏转回旋作用，选项A错误；

B、同样的交变电源的频率相同，也就是要求粒子做圆周运动的周期相同，由T=可知，对于比荷不同的粒子，要使周期相同，磁感应强度应该不同，选项B正确；

C、粒子最终获得的动能由“D”形盒的半径和磁感应强度决定，与加速电压无关，选项C错误、D正确．

故选：BD．

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题型：多选题

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多选题

如图所示是质谱仪的工作原理示意图，加速电场的电压为U，速度选择器中的电场强度为E，磁感应强度为B1，偏转磁场的磁感应强度为B2，一电荷量为q的带正电的粒子在加速电场中加速后进入速度选择器，刚好能从速度选择器进入偏转磁场做圆周运动，测得直径为d，照相板上有记录粒子位置的胶片，下列表述正确的是（　　）

A质谱仪是分析同位素的重要工具

B粒子在速度选择器中做匀加速直线运动

C所有粒子进入偏转磁场时的速度相同

D粒子质量为

正确答案

A,C,D

解析

解：A、粒子进入磁场后做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，

由牛顿第二定律得：qvB2=m，解得：=，知道粒子电量后，便可求出m的质量，所以质谱仪可以用来分析同位素，故A正确；

BC、在速度选择器中做匀速直线运动的粒子能进入偏转磁场，

由平衡条件得：qvB1=qE，粒子速度：v=，故B错误，C正确；

D、粒子在磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得：qvB2=m，

以及B1qv=qE；

解得：m=；故D正确；

故选：ACD．

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题型：多选题

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多选题

劳伦斯和利文斯设计的回旋加速器工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U．若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为+q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响，则下列说法正确的是（　　）

A质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U无关

B质子离开回旋加速器时的最大动能与交流电频率f成正比

C质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf

D质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1：

正确答案

A,C

解析

解：A、根据qvB=m，知v=，则最大动能EKm=mv2=．与加速的电压无关．故A正确．

B、根据qvB=m，知v=，则最大动能EKm=mv2=，与交流频率无关．故B错误．

C、质子出回旋加速器的速度最大，此时的半径为R，则v==2πRf．所以最大速度不超过2πfR．故C正确．

D、粒子在加速电场中做匀加速运动，在磁场中做匀速圆周运动，根据v=知，质子第2次和第1次经过D形盒狭缝的速度比为：1，

根据r=，则半径比为：1．故D错误．

故选：AC．

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题型：多选题

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多选题

美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，应用带电粒子在磁场中做圆周运动的特点，能使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量，使人类在获得较高能量带电粒子方面前进了一步．如图所示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A、C板间．带电粒子从P0处静止释放，并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．对于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一次

BP1P2=P2P3

C加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关

D加速电场方向不需要做周期性的变化

正确答案

A,D

解析

解：AD、带电粒子只有经过AC板间时被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次．电场的方向没有改变，则在AC间加速．故A正确．

B、根据r=，则P1P2=2（r2-r1）=，因为每转一圈被加速一次，根据v2-v12=2ad，知每转一圈，速度的变化量不等，且v3-v2＜v2-v1，则P1P2＞P2P3．故B错误．

C、当粒子从D形盒中出来时，速度最大，根据r=得，v=．知加速粒子的最大速度与D形盒的半径有关．故C错误．

D、根据回旋加速器工作原理可知，加速电场方向不变，故D正确；

故选：AD．

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