高中物理质谱仪

幸福侠侣

具有相同核电荷数而不同质量数的原子互称同位素，质谱仪是分离各种元素的同位素并测量它们质量的仪器，它由静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成，它的结构原理如图所示。











作用：
①质谱仪可以区分不同的比荷的粒子。
根据带电粒子在磁场中运动的半径公式：r=mv/qB，q/m=v/Br。粒子经过了速度选择器过滤，粒子速度相同，处在同磁场中的粒子，其做圆周运动的半径不同，比荷由半径决定.
②m=qBr/v，质谱仪可以把相同电荷数，质量不同的粒子区分开，典型的就是可以把同位素区分开。
例题：1922年英国物理学家和化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。若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是（C）



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，比荷q/m越小
D.在B₂磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
例题：质谱仪是一种测带电粒子质量和分析同位素的重要工具，现有一质谱仪，粒子源产生出质量为m电量为q的速度可忽略不计的正离子，出来的离子经电场加速，从点a沿直径方向进入磁感应强度为B半径为R的匀强磁场区域，加速电压U，离子出磁场后打在与bO垂直的记录底片c点上，测出点与磁场中心点的连线与bO夹角为θ，求证：粒子的比荷





例题：如下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.已知：静电分析器通道的半径为R，均匀辐射电场的电场强度为E.磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B.



问：
（1）为了使位于A处电荷量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析器，加速电场的电压U应为多大？
（2）满足（1）问条件的离子由P点进入磁分析器后，最终打在乳胶片上的Q点，该点距入射点P多远？
例题：飞行时间质谱仪可通过测量离子飞行时间得到离子的比荷q/m，如图1.带正电的离子经电压为的电场加速后进入长度为L的真空管AB，可测得离子飞越AB所用时间t₁.改进以上方法，如图2，让离子飞越AB后进入场强为E（方向如图）的匀强电场区域BC，在电场的作用下离子返回B端，此时，测得离子从A出发后飞行的总时间t₂，（不计离子重力）忽略离子源中离子的初速度.



①用t₁计算比荷；
②用t₂计算比荷.
例题：飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析.如图所示，在真空状态下，脉冲阀P喷出微量气体，经激光照射产生不同价位的正离子，自a板小孔进入a、b间的加速电场，从b板小孔射出，沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区，到达探测器.已知元电荷电量为e，a、b板间距为d，极板M、N的长度和间距均为L.不计离子重力及进入a板时的初速度.



（1）当a、b间的电压为U₁时，在M、N间加上适当的电压U₂，使离子到达探测器.请导出离子的全部飞行时间与比荷K(K＝ne/m)的关系式.
（2）去掉偏转电压U₂，在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度为B，若进入a、b间的所有离子质量均为m，要使所有的离子均通过控制区从右侧飞出，a、b间的加速电压U₁至少为多少？
例题：串列加速器是用来生产高能高子的装置。下图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b处有很高的正电势U，a，c两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负一价同位素碳离子从a端输入，当离子到达b处时，可被设在b处的特殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小，这些正n价碳离子从c端飞出后进入一个与其速度方向垂直的，磁感应强度为B的匀强磁场中，在磁场中做半径不同的圆周运动。测得有两种半径为R₁，R₂求这两种同位素的质量之比。



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