如图所示,是一种磁偏转式质谱仪的原理简图,主要由三部分组成:离子源(含加速电场)、磁偏转器和接收系统。利用该装...
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如图所示,是一种磁偏转式质谱仪的原理简图,主要由三部分组成:离子源(含加速电场)、磁偏转器和接收系统。利用该装置可以较好地识别同位素。
现有质量由小到大的X、Y、Z三种离子,电荷量均为q。在离子源中,三种离子不断飘进(初速度可忽略不计)电压为U的加速电场,经加速后进入磁偏转器,在磁偏转器中离子分成三束(如图所示)。磁偏转器主要是一段弯成半径为R的细管,该细管处在电磁铁的两极之间,电磁铁的磁极呈扇形(图中未画出),细管所在处的磁场可视为匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外。若其中一种离子恰能沿细管做匀速圆周运动,从狭缝*出后进入接收系统,而另外两种离子分别打在细管的上壁和下壁。不计离子的重力及它们之间的相互作用力。
(1)现测得离子通过接收系统的狭缝所形成的电流为I,求每秒钟接收到该离子的数目N;
(2)求被接收系统接收的离子质量m;并分析说明接收系统接收的是哪一种离子;
(3)若想利用该装置依次收集另外两种离子,在不改变细管半径R的条件下,请分析说明有哪些可行方案(至少说出两种)。
【回答】
解:(1)根据电流的定义式有:
即每秒钟接收到的总电荷量Q=I
则每秒钟接收到该离子的数目 (3分)
(2)设离子以速度v进入匀强磁场,
离子在加速过程中有: ①
离子在磁场中做圆周运动,有: ②
联立①②式可得: ③
由③式可得,由于三种离子的电荷量q相同,B与U也相同,所以,。由于mX< mY<mZ,所以RX< RY<RZ,因为只有一种离子恰能在细管中做圆周运动并沿狭缝*出,而另外两种分别打到细管的上壁和下壁,可知进入接收系统的是Y离子。 (3分)
(3)由③式可知,利用该装置若想依次收集另外两种离子,在不改变细管半径的条件下,可以采取以下两种方案:
方案一:若保持加速电压U不变,则可以通过改变电磁铁所产生的磁感应强度来实现,适当增加磁感应强度B可以收集Z离子,反之,可以收集X离子;
方案二:若保持磁感应强度B不变,则可以通过改变加速电压来实现,适当提高加速电压U可以收集X离子,反之,可以收集Z离子。 (3分)
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