1.4 质谱仪与回旋加速器-2022-2023学年高二物理精讲与精练高分突破考点专题系列（人教版2019选择性必修第二册）

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1.4：质谱仪与回旋加速器

一：知识精讲归纳

考点一、质谱仪

1．质谱仪构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片．

2．运动过程(如图)

(1)带电粒子经过电压为 U的加速电场加速，qU＝mv2.

(2)垂直进入磁感应强度为 B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝，可得 r＝.

3．分析：从粒子打在底片 D上的位置可以测出圆周的半径 r，进而可以算出粒子的比荷．

考点二、回旋加速器

1．回旋加速器的构造：两个 D形盒，两 D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于 D形盒的匀强磁场中，如图.

2．工作原理

(1)电场的特点及作用

特点：两个 D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的电场．

作用：带电粒子经过该区域时被加速．

(2)磁场的特点及作用

特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中．

作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个圆周后再次进入电场．

大重点技巧归纳

回旋加速器两 D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或 α粒子源)，D形盒间接上交流电源，在狭

缝中形成一个交变电场．D形盒上有垂直盒面的匀强磁场(如图所示)．

(1)电场的特点及作用

特点：周期性变化，其周期等于粒子在磁场中做圆周运动的周期．

作用：对带电粒子加速，粒子的动能增大，qU＝ΔEk.

(2)磁场的作用

改变粒子的运动方向．

粒子在一个 D形盒中运动半个周期，运动至狭缝进入电场被加速．磁场中 qvB＝m，r＝∝v，因此加速后的轨迹半

径要大于加速前的轨迹半径．

(3)粒子获得的最大动能

若D形盒的最大半径为 R，磁感应强度为 B，由 r＝得粒子获得的最大速度 vm＝，最大动能 Ekm＝mvm2＝.

(4)两D形盒窄缝所加的交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相同，粒子经过窄缝处均被加速，一个周期内加

速两次．

二：考点题型归纳

题型一：基于加速电场的质谱仪

1．（2022·辽宁·大连二十四中高二期中）利用质谱仪可以分析同位素，如图所示，电荷量均为 q的同位素碘 131

和碘 127 质量分别为 m1和m2，从容器 A下方的小孔 S1进入电势差为 U的电场，初速度忽略不计，经电场加速后从

S2射出，垂直进入磁感应强度为 B的匀强磁场中，最后打到照相底片 D上。则照相底片上碘 131 和碘 127 与S2之

间的距离之比为（　　）

A．B．C．D．

2．（2022·山西太原·高二期中）如图的质谱仪中，加速电场的电压恒定。一质子（质量为 m、电荷量为+e）在入

口处从静止开始被电场加速，经磁感应强度大小为 B0的匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若氦核（质量为 4m、电

荷量为+2e）在入口处由静止开始被电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从出口离开磁场，需将磁感应强度增加

到（　　）

A．B．2B0C． 4B0D． 8B0

3．（2022·江苏省阜宁中学高二期中）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，磁分析器有范围足

够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为、方向垂直纸面向外。一质量为、电荷量为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，由点垂直边界进入磁分析器，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

B．加速电场的电压

C．直径

D．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

题型二：基于速度选择器的质谱仪

4．（2022·内蒙古赤峰·高二期末）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 A1A2，平板 S下方有磁感应强度为 B0的匀强磁

场。下列表说法确的是（）

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