质谱仪是用于测量离子质量的仪器,用于分析同位素和分子结构等。高二物理中的质谱仪主要有以下几种:
回旋加速器与粒子加速器。这些仪器通常用于将带电粒子加速到较高速度,并利用磁场使粒子束偏转并聚焦。
电磁式质谱计(又叫电场加速电场偏转式质谱计)。这种仪器主要用于测量带电粒子质量,通过粒子在电场和磁场中的运动来识别不同质量离子。
此外,还有利用飞行时间质谱原理的仪器,这种仪器主要用于测量带电粒子飞行时间,通过比较实际测量时间与理论预测时间来识别不同质量的离子。
这些仪器通常用于研究原子核和粒子的性质,如质量、电荷、同位素等。在质谱学研究中,质谱仪起着关键作用。
题目:
一台质谱仪的工作原理如图所示,其核心部分是一个偏转电场,带电粒子经过电场后打在荧光屏上,形成亮斑点。已知带电粒子的质量为m,电荷量为q,初速度为v0,加速电场的电压为U1,偏转电极间的电压为U2,两极板长为L,两极板间距为d。求:
(1)带电粒子经过加速电场时的速度大小;
(2)带电粒子打到荧光屏上的位置;
(3)若在偏转电极间加上一个周期为T的交流电压,荧光屏上将出现一系列亮斑点,求亮斑点的个数。
解答:
(1)带电粒子经过加速电场时,由动能定理得:
$qU_{1} = \frac{1}{2}mv^{2}$
解得:$v = \sqrt{\frac{2qU_{1}}{m}}$
(2)带电粒子在偏转电场中做类平抛运动,水平方向:$L = v_{x}t$
竖直方向:$y = \frac{1}{2}at^{2}$
其中:$a = \frac{qU_{2}}{md}$
解得:$y = \frac{d\sqrt{2U_{2}L}}{4U_{1}}$
所以带电粒子打到荧光屏上的位置为:$(L - \frac{d\sqrt{2U_{2}L}}{4U_{1}},y)$
(3)在偏转电极间加上一个周期为T的交流电压时,带电粒子在偏转电场中做类平抛运动,每个亮斑点对应一个位置。由于粒子在偏转电场中运动的时间为半个周期,所以亮斑点的个数为:$N = \frac{T}{2\pi}\frac{d}{\lambda}$
其中$\lambda$为光的波长。解得:$N = \frac{T}{4\pi}\sqrt{\frac{mU_{1}}{q}} \cdot \frac{L}{\lambda}$
其中$\lambda = c/v$,其中c为光速。所以亮斑点的个数与加速电压成正比。
希望这个例子能够帮助你理解质谱仪的工作原理和解题方法。