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    质谱仪和回旋加速器基础练习题

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    这是一份质谱仪和回旋加速器基础练习题,共7页。试卷主要包含了下图是质谱仪工作原理的示意图等内容,欢迎下载使用。

    A.高频交流电频率应为
    B.质子被加速后的最大动能不可能超过
    C.质子被加速后的最大动能与狭缝间的加速电压、加速次数有关
    D.不改变和,该回旋加速器也能用于加速粒子(即氦核)
    2.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,使人类在获得高能量带电粒子方面前进了一步.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A、C板间,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两次
    B.带电粒子每运动一周P1P2=P2P3
    C.加速电场方向需要做周期性的变化
    D.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关
    3.回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,如图1所示.它的核心部分是两个D形金属盒,两盒相距很近,分别和高频交流电源相连接,两盒间的窄缝中形成匀强电场,使带电粒子每次通过窄缝都得到加速.两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒底面,带电粒子在磁场中做圆周运动,通过两盒间的窄缝时反复被加速,直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出.如果用同一回旋加速器分别加速氚核(13H)和α粒子(24He),比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小,有 ( )
    A.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能也较大
    B.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能较小
    C.加速氚核的交流电源的周期较小,氚核获得的最大动能也较小
    D.加速氚核的交流电源的周期较小,氚核获得的最大动能较大
    4.下图是质谱仪工作原理的示意图。带电粒子a、b经电压U加速(在A点初速度为零)后,进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动,最后分别打在感光板S上的x1、x2处。图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径,则
    A.a的质量一定大于b的质量
    B.a的电荷量一定大于b的电荷量
    C.a运动的时间大于b运动的时间
    D.a的比荷大于b的比荷
    5.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
    A
    A.增大交变电压U,则正离子在加速器中运行时间将变短
    B.增大交变电压U,则正离子在加速器中运行时间将不变
    C.正离子第n次穿过窄缝前后的速率之比为
    D.回旋加速器所加交变电压的频率为
    6.(2012年2月宁波八校联考)如图是医用回旋加速器示意图,其核心部分是两个D型金属盒,两金属盒置于匀强磁场中,并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是
    A.它们的最大速度相同
    B.它们的最大动能相同
    C.它们在D形盒内运动的周期相同
    D.仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
    7.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两极相连接的两个D形金属盒,两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D形金属盒处于垂直盒底的匀强磁场中,如图所示。已知D形盒半径为R,当用回旋加速器加速质子时,匀强磁场的磁感应强度为B,高频交变电压的频率为f。则下列说法正确的是( )
    A.加速电压越大,质子最后获得的速度越大
    B.质子最后获得的速度与加速电压的大小无关
    C.质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR
    D.不改变B和f,该回旋加速器也能用于加速电子
    8.如图所示,回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置.其核心部分是两个D型金属盒,置于匀强磁场中,两盒分别与高频电源相连。则下列说法正确的是( )
    A.离子做圆周运动的周期随半径增大
    B.离子从磁场中获得能量
    C.带电粒子加速所获得的最大动能与加速电压的大小有关
    D.带电粒子加速所获得的最大动能与金属盒的半径有关
    9.1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖。若一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示,则下列说法中正确的是:、
    A.该束带电粒子带负电
    B.速度选择器的P1极板带负电
    C.在B2磁场中运动半径越大的粒子,质量越大
    D.在B2磁场中运动半径越大的粒子,比荷q/m越小
    10.一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.为了使质子每次经过D形盒间缝隙时都能得到加速,应使交变电压的周期等于质子的回旋周期
    11.回旋加速器是获得高能带电粒子的装置,其核心部分是分别与高频交流电源的两极相连的两个D形盒,两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D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示,关于回旋加速器的下列说法正确的是[ ]
    A.狭缝间的电场对粒子起加速作用,因此加速电压越大,带电粒子从D形盒射出时的动能越大
    B.磁场对带电粒子的洛仑兹力对粒子不做功,因此带电粒子从D形盒射出时的动能与磁场的强弱无关
    C.带电粒子做一次圆周运动,要被加速两次,因此交变电场的周期应为圆周运动周期的二倍
    D.用同一回旋加速器分别加速不同的带电粒子,一般要调节交变电场的频率
    12.两个相同的回旋加速器,分别接在加速电压U1和U2的高频电源上,且 U1>U2,有两个相同的带电粒子分别在这两个加速器中运动,设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2,获得的最大动能分别为Ek1和Ek2,则( )
    A.t1< t2 ,Ek1 >Ek2 B.t1= t2 , Ek1 C.t1> t2 ,Ek1 =Ek2 D.t113.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.两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中,并分别与高频交流电源两极相连接,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.现要增大带电粒子从回旋加速器射出时的动能,下列方法可行的是( )
    A.减小磁场的磁感应强度
    B.减小狭缝间的距离
    C.增大高频交流电压
    D.增大金属盒的半径
    14.如图所示为质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器.速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E.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。下列表述正确的是
    A.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向内
    B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
    C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
    D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的荷质比越小
    15.环型对撞机是研究高能粒子的重要装置,其核心部件是一个高真空的圆环状空腔。若带电粒子初速度为零,经电压为U的电场加速后,沿圆环切线方向注入对撞机的环状空腔内,腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大小为B。带电粒子将被局限在圆环状腔内运动。要维持带电粒子在圆环内做半径确定的圆周运动,下列说法正确的是
    A.对于给定的加速电压,带电粒子的比荷q/m越大,磁感应强度B越大
    B.对于给定的加速电压,带电粒子的比荷q/m越大,磁感应强度B越小
    C.对于给定的带电粒子,不管加速电压U多大,粒子运动的周期都不变
    D.对于给定的带电粒子,加速电压U越大,粒子运动的周期越小
    16.如图是医用回旋加速器示意图,其核心部分是两个D形金属盒,两金属盒置于匀强磁场中,并分别与高频电源相连。现分别加速氘核()和氦核()。下列说法中正确的是( )
    A.它们的最大速度相同
    B.它们的最大动能相同
    C.它们在D形盒中运动的周期相同
    D.仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
    17.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产生的各种不同正离子束(速度可看作为零),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上的位置到入口处S1的距离为x,则下列判断正确的是 ( )
    A.若离子束是同位素(质子数相同质量数不同),x越大,离子质量越小
    B.若离子的荷质比q/m相同,如果加速电压越大,则x越小
    C.只要x相同,则离子质量一定相同
    D.只要x相同,则离子的荷质比一定相同
    18.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具,如图为质谱仪原理示意图.现利用这种质谱议对氢元素进行测量.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强度为B的匀强磁场中.氢的三种同位素氕、氘、氚的电量之比为1:1:1,质量之比为1:2:3,它们最后打在照相底片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和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氚、氘、氕
    B.进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氘、氚、氕
    C.a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氘、氚、氕
    D.a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕
    19.关于回旋加速器,下列说法正确的是( )
    A、离子从磁场中获得能量
    B、离子由加速器的中心附近进入加速器
    C、增大加速器的加速电压,则粒子离开加速器时的动能将变大
    D、将D形盒的半径加倍,离子获得的动能将增加为4倍
    20.关于回旋加速器加速带电粒子所获的能量( )
    A.与加速器的半径有关, 半径越大, 能量越大
    B.与加速器的磁场有关, 磁场越强, 能量越大
    C.与加速器的电场有关, 电场越强, 能量越大
    D.与带电粒子的质量和电量均有关, 质量和电量越大, 能量越大
    21.关于回旋加速器的下列说法,其中正确的有( )
    A.电场用来加速带电粒子,磁场则使带电粒子旋转
    B.电场和磁场同时用来加速带电粒子
    C.在确定的交流电源下,回旋加速器的半径越大,同一带电粒子获得的动能越大
    D.同一带电粒子获得的最大动能只与交流电源的电压大小有关,而与交流电源的频率无关
    22.如图所示为测定带电粒子比荷()的装置,粒子以一定的初速度进入并沿直线通过速度选择器,速度选择器内有相互正交的匀强磁场和匀强电场,磁感应强度和电场强度 速度选分别为B和E。然后粒子通过平板S上的狭缝P,进入另一匀强磁场,最终打在能记录粒子位置的胶片AlA2上。下列表述正确的是( )
    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
    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.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越大
    23.用回旋加速器加速质子,为了使质子获得的动能增大为原来的4倍,可以( )
    A.将D型金属盒的半径增大为原来的2倍
    B.将磁场的磁感应强度增大为原来的4倍
    C.将加速电场的电压增大为原来的4倍
    D.将加速电场的频率增大为原来的4倍
    24.如图15-5-20所示,有a、b、c、d四个离子,它们带同种电荷且电荷量相等,它们的速率关系为va<vb=vc<vd,质量关系为ma=mb<mc=md.进入速度选择器后,有两种离子从速度选择器中射出,由此可以判定( )
    A.射向P1的是a粒子 B.射向P2的是b粒子
    C.射向A1的是c粒子 D.射向A2的是d粒子
    25.如图所示,回旋加速器D形盒的半径为r,匀强磁场的磁感应强度为B.一个质量为m、电荷量为q的粒子在加速器的中央从速度为零开始加速.根据回旋加速器的这些数据,估算出该粒子离开加速器时获得的动能为________________.
    26.(12分)如图14所示,回旋加速器D形盒的半径为R,用来加速质量为m、电荷量为q的质子,使质子由静止加速到能量为E后,由A孔射出,求:
    (1)加速器中匀强磁场B的方向和大小;
    (2)设两D形盒间距为d,其间电压为U,电场视为匀强电场,质子每次经电场加速后能量增加,加速到上述能量所需回旋周数;
    (3)加速到上述能量所需时间.
    27.如图所示为质谱仪的原理图,A为粒子加速器,电压为U1;B为速度选择器,磁场与电场正交,磁感应强度为B1,板间距离为d;C为偏转分离器,磁感应强度为B2。今有一质量为m、电量为q的正离子经加速后,恰好通过速度选择器,进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动,不计重力。求:
    粒子的速度v;
    ⑵速度选择器的电压U2;
    ⑶粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R。
    28.(8分)如图所示是质谱仪示意图,图中离子源S产生电荷量为q的离子,经电压为U的电场加速后,由A点垂直射人磁感应强度为B的有界匀强磁场中,经过半个圆周,打在磁场边界底片上的P点,测得PA=d,求离子的质量m。
    29.如图所示,质量为m带电量为q的带电粒子,从离子源以很小的速度进入电势差为U的电场中加速后垂直进入磁场强度为B的磁场中,不计粒子从离子源射出时的速度,求:
    (1)带电粒子进入磁场时的速度大小?
    (2)带电粒子进入磁场的偏转半径?
    30.(10分)质谱仪原理如图,a为粒子加速器电压为u1,b为速度选择器,磁场与电场正交,磁感强度为B1,板间距离为d,c为偏转分离器,磁感强度为B2,今有一质量为m,电量为+e的电子(不计重力),经加速后,该离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)粒子的速率v
    (2)速度选择器的电压u2
    (3)粒子在B2的磁场中做匀速圆周运动的半径R
    31.图4是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图.设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中,使它受到电子束轰击,失去一个电子变为正一价的分子离子.分子离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场区(初速不计),加速后,再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场,方向垂直于磁场区的界面PQ.最后,分子离子打到感光片上,形成垂直于纸面且平行于狭缝S3的细线.若测得细线到狭缝S3的距离为d,试导出分子离子的质量m的表达式.
    参考答案
    1.B2.D3.B4.D5.AC6.AC7.BC8.D9.D10.AB11.D12.D13.D14.BC15.BD16.AC
    17.D18.D19.BD20.AB21.AD22.BD23.A24.A
    25.
    26.(1) 方向垂直于纸面向里
    (2) (3)
    27.解:⑴粒子经加速电场U1加速,获得速度V,由动量定理得:
    qU1=mv2 解得v=
    [来源:学*科*网Z*X*X*K]
    ⑵在速度选择器中作匀速直线运动,电场力与洛仑兹力平衡得
    Eq=qvB1即
    U2=B1dv=B1d
    ⑶在B2中作圆周运动,洛仑兹力提供向心力,
    R===
    28.
    29.(1)
    (2)
    30.(1)(2)u2=dB1(3)R=
    31.
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