Per studiare la struttura fine della materia è stato necessario produrre fasci di particelle sempre più veloci, sempre più penetranti e in grado di studiare ciò che è presente all'interno di un atomo potendo associare ad esse lunghezze d'onda sempre più piccole. Il primo manufatto realizzato allo scopo è stato il ciclotrone.
Realizzato
nel 1931 da Ernest Orlando Lawrence,
è la prima macchina acceleratrice che sfruttando la forza di Lorentz
agente su una particella carica in moto in un campo magnetico uniforme
trasversale abbastanza intenso da mettere in moto circolare uniforme
le stesse.
Il campo magnetico non può accelerare nessuna
particella. Il ciclotrone come si ricava vedendo le figure è
in grado di accellerare le particelle facendole muovere per un breve
tratto in un campo elettrico molto intenso.
Le particelle ionizzate (ionizzazione) vengono inviate nella zona centrale di un tamburo orizzontale circolare, diviso in due parti semicircolari fra le quali esiste un piccolo spazio libero, ove viene applicato un campo elettrico ad alta frequenza, mentre un elettromagnete produce un campo magnetico fisso perpendicolare.
Le particelle ionizzate vengono accelerate per l'azione del campo elettrico e, superato lo spazio libero, per effetto del campo magnetico si muovono concentricamente al tamburo e si trovano all'estremità opposta dello spazio libero nel momento in cui si inverte il campo elettrico e vengono spinte con un movimento accelerato nell'altra parte semicircolare del tamburo. Il procedimento di accelerazione viene ripetuto più volte e le particelle descrivono un percorso a spirale di molte centinaia di orbite di raggio sempre crescente, sino a raggiungere il raggio esterno della parte semicircolare, da dove vengono poi estratte.