4 质谱仪与回旋加速器 [学习目标] 1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子 的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期 之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素． 一、质谱仪 1．质谱仪构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片． 2．运动过程(如图1) 图1 (1)带电粒子经过电压为U 的加速电场加速，qU＝mv2 判断下列说法的正误． (1)质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，同一带电粒子在磁场中的半径相同．( √ ) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同．( √ ) (3)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终速度，应尽可能增大磁感应强度B 和D 形盒的半径R.( √ ) (4)增大两D 形盒间的电压，可以增大带电粒子所获得的最大动能．( × ) 一、质谱仪 导学探究 导学探究 如图3 所示为质谱仪原理示意图．设粒子质量为m、电荷量为q，加速电场电 压为U，偏转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A 下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度 几乎为0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？ 图3 答案 由动能定理知qU＝mv2，则粒子进入磁场时的速度大小为v＝，由于粒子在磁场中运 动的轨迹半径为r＝＝，所以打在底片上的位置到S3的距离为. 知识深化

直接射向AB、BC 的光线，从点光源射入圆弧 AC 的光中，有一部分不能从AB、BC 面直接射出，已知这部分光照射圆弧AC 的弧 长为 ，求该材料的折射率。 17．(14 分) 阿斯顿设计了质谱仪，证实了同位素的存在，真实的质谱仪在允许粒子进入磁 场处的狭缝是有一定宽度的，其工作原理如图所示。现有大量的质子和氘核飘入电 势差为U 的加速电场， 其初速度几乎为0， 经过加速后， 通过宽为L 的狭缝MN 沿着

页/共23 页 （北京）股份有限公司 A. 滑动变阻器R 的滑动触头P 向上移动 B. 将热敏电阻R0的温度降低 C. 开关S 断开 D. 电容器的上极板向上移动 8. 质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20 和氖22，证实了同位素的存在。 如图所示，容器A 中有质量分别为m1、m2，电荷量相同的氖20 和氖22 两种离子（不考虑离子的重力及离 子间的相互作用），它们从容器A

周期是直流电的一部分，则（ ） A．电流表示数为 B．电压表示数为 C． 的功率为10W D． 的功率为12W 8．如图所示，甲是质谱仪的示意图，乙是回旋加速器的原理图，丙是研究楞次定律的实验图，丁是研究自感 现象的电路图，下列说法正确的是（ ） A．质谱仪可以用来测量带电粒子的比荷，也可以用来研究同位素 B．回旋加速器是加速带电粒子装置，其加速电压越大，带电粒子最后获得的速度越大 C．丙图中，磁铁插入过程中，电流由

分，共16 分。在每小题给出的四个选项中，有 多项符合题目要求。全部选对的得4 分，选对但不全的得2 分，有选错的得0 分。 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，在乳胶片上形成三个点a、b、c，则下列说法中正确的是 A． 速度选择器的 极板带负电 B． 打在a 处的粒子的比荷 较大 C． 打在c

（4）装置E、F 应装入的试剂分别为______、______。 （5）实验测得数据如表： 装置 实验前 实验后 E 24.00g 33.90g F 100.00g 133.00g 通过质谱仪测得青蒿素的相对分子质量为282，结合上述数据，得出青蒿素的分子式为______。

，4，6-三硝基甲苯 D.甲苯可以使酸性高锰酸钾溶液褪色，乙烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色 6.有机化合物的定性、定量分析会用到多种化学仪器，下列关于化学仪器的说法不正确的是（ ） A.质谱仪可以确定有机化合物的相对分子质量 B.元素分析仪可以用于测定有机化合物的结构 C.红外光谱仪可以检测有机化合物的官能团 D.核磁共振氢谱仪可以判断有机化合物中不同类型氢原子的相对数目 7.下列能层中包含f 可以与酸性高锰 酸钾溶液发生反应；甲基使苯环上的氢原子活性增强；苯环存在不饱和键，可以发生加成反应，乙醇中不存 在不饱和键，不能发生加成反应，与基团间相互影响无关，故选B。 6.B 【解析】质谱仪可以确定有机化合物的相对分子质量，A 项正确；元素分析仪可以用于检测有机化合物中 所含元素，不能测定有机化合物的结构，B 项错误；红外光谱仪可以检测有机化合物的官能团，C 项正确； 核磁共振氢谱

所含官能团的名称为 . （2）除去B 中少量A 的试剂名称为 . （3）C 的结构简式为 ，步骤②的反应类型为 . （4）用质谱仪测定D 相对分子质量，得如图所示的质谱图： 则D 的相对分子质量为 ，步骤③的化学方程式为 ，相同物质的量的A 和D 完全燃烧时，耗氧量 （填“相等”或“不相等”）

圈产生的不断变化的磁场作用下，运动方向发生偏转，实现扫描，在荧光屏上显示图像。 二、质谱仪 1．原理图：如图所示。 质谱仪原理示意图 2．加速：带电离子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得： qU＝mv2。 ① 3．偏转：离子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力 qvB＝。 ② 由①②两式可以求出离子的半径r＝、质量m＝、比荷＝等。 4．质谱仪的应用：可以分析比荷和测定离子的质量。 三、回旋加速器 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个周期后再 次进入电场。 对质谱仪工作原理的理解 如图所示为质谱仪原理示意图。离子从容器A 下方的小孔S1进入质谱仪后打在底片上， 什么样的粒子打在质谱仪显示屏上的位置会不同？位置的分布有什么规律？ 提示：速度相同，比荷不同的粒子打在质谱仪显示屏上的位置不同。根据qvB＝，得r ＝。可见粒子比荷越大，偏转半径越小。 1．速度选 2．从S1与S2之间得以加速的粒子的电性是固定的，因此进入偏转磁场空间的粒子的 电性也是固定的。 3．打在底片上同一位置的粒子，只能判断其是相同的，不能确定其质量或电荷量一定 相同。 【例1】 如图所示为某种质谱仪的结构示意图。其中加速电场的电压为U，静电分析 器中与圆心O1等距各点的电场强度大小相同，方向沿径向指向圆心O1；磁分析器中在以O2 为圆心、圆心角为90°的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电

电粒 子飞过磁针上方的瞬间，磁针的S 极向纸里转，则带电粒子可能是（ ） A．向右飞行的正电荷束 B．向左飞行的正电荷束 C．向右飞行的负电荷束 D．向左飞行的负电荷束 10.(多选) 如图是质谱仪工作原理的示意图。带电粒子 、 从容器中的 点飘出在 点初速度为零，经电压 加 速后，从 轴坐标原点处进入磁感应强度为 的匀强磁 场， 最后分别打在感光板 上，坐标分别为 、 。图中 半 圆