2014届高三二轮复习专题--质谱仪专题(精品).doc

2014届高三二轮复习专题 质谱仪一、质谱仪简介 质谱仪，是分离和检测不同同位素的仪器。仪器的主要装置放在真空中。 质谱仪能用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同，其结果为质谱图。质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比m/e大小分离的装置。分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。离子源、质量分析器和离子检测器都各有多种类型。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪；按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪；按工作原理分为静态仪器和动态仪器。2、 考点分析： 此部分经常与粒子速度选择器结合考查，重点考查粒子在电磁复合场中匀速直线运动速度条件、电磁场方向；根据粒子在磁场中匀速圆周运动轨迹推测粒子电性、质量、电量、比荷关系三、专题训练（一）基础题1.质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可视为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，（1）则可以判断：A.离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B.若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C.只要x相同，则离子质量一定相同D.只要x相同，则离子的比荷一定相同（2）若离子质量为m，带电量为+q，经电压U加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，离子打至P点，设S1P=x，能正确反映x与U之间函数关系的xU图是下图中的（ ）ABCDOOOO【答案】（1）AD （2）B【解析】试题分析：（1）设离子加速后速度为v，则由动能定理，可得；进入磁场后做圆周运动的轨道半径.而x=2r，所以若离子束是同位素，则q相同，x越大，m越大，A对；若x相同则比荷一定相同，D对。（2）设离子加速后速度为v，则由动能定理，可得；进入磁场后做圆周运动的轨道半径，所以，故图象B正确，其余错误。点评：考查质谱仪基本原理，难度偏易2如图所示是质谱仪工作原理的示意图带电粒子a、b经电压U加速(在A点的初速度为零)后，进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动，最后分别打在感光板S上的x1、x2处图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则()Aa的质量一定大于b的质量Ba的电荷量一定大于b的电荷量C在磁场中a运动的时间大于b运动的时间Da的比荷大于b的比荷 【答案】 D【解析】试题分析：设粒子经电场加速后的速度为v，由动能定理，有qUmv2，则粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R，由图知粒子a的轨迹半径小于粒子b的轨迹半径，故，即，所以选项D正确，A、B错误；粒子在磁场中的运动时间t，结合上式，有tatb，选项C错误3.如图所示是质谱仪的工作原理示意图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场下列表述正确的是()A质谱仪是分析同位素的重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小【答案】ABC【解析】试题分析：质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具，A正确速度选择器中电场力与洛伦兹力是一对平衡力，即qvBqE，故v.据左手定则可以确定，速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外，B、C正确粒子在匀强磁场中运动的半径r，即粒子的荷质比，由此看出粒子运动的半径越小，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越大，D错误故选ABC.点评：粒子速度选择器 质谱仪4.1922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速度相同的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( )1B2A该束带电粒子带负电B速度选择器的P1极板带正电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大D在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小【答案】BD【解析】试题分析：由粒子在B2中的运动轨迹可以判断粒子应带正电，A项错误；在电容器间粒子必做匀速直线运动，粒子受到的洛伦兹力方向竖直向上，受到的电场力方向应竖直向下，则P1极板带正电，B项正确；在电容器中，根据速度选择器的原理可知v，在B2中粒子运动的轨道半径r=，式中B1、B2、E不变，因此，在B2磁场中运动半径越大的粒子，其越大，即比荷越小，C项错误，D项正确考点：粒子速度选择器 质谱仪5如图所示，一束正离子从P处垂直射入匀强电场和匀强磁场相互垂直的区域，结果发现有些离子保持原来的运动方向未发生偏转。这些离子从磁场边界OO的Q处垂直射入另一匀强磁场中，又分裂为a、b、c三束，分别运动到磁场边界OO。关于a、b、c离子束，下列判断正确的是（ ）Aa离子束的速度最大Ba、b、c离子束的带电量相等Ca离子束到达磁场边界OO的时间最长D若a离子束的质量是b离子束的2倍，则a离子束的带电量是b离子束的2倍【答案】C【解析】试题分析：由粒子速度选择器规律可知，匀速直线通过的粒子速度v都相同，与粒子质量、电量、电性均无关，故选项A错误；进入左侧磁场后其半径r=，因v、B均相同，因rarbrc，所以，但不知道质量关系，故带电量大小不确定，选项B错误；三种粒子通过粒子速度选择器时间相同，在左侧磁场中运动时间为圆周运动周期的一半，由周期公式T=知，TaTbTc，所以运动时间关系为tatbtc，故选项C正确；由比荷关系知，所以qa2qb，故选项D错误。考点：粒子速度选择器 质谱仪6、如图所示为质谱仪的示意图。速度选择器部分的匀强电场场强E=1.2105V/m，匀强磁场的磁感强度为B1=0.6T。偏转分离器的磁感强度为B2=0.8T。求：（1）能通过速度选择器的粒子速度多大？（2）质子和氘核进入偏转分离器后打在照相底片上的条纹之间的距离d为多少？【答案】(1)2105m/s (2)5.210-3m【解析】试题分析：粒子通过速度选择器时，所受电场力和磁场力方向相反、大小相等，粒子可匀速穿过速度选择器。由于质子和氘核以相同速度进入磁场后，做圆周运动的半径不同，打在两条不同的条纹上。（1）能通过速度选择器的离子所受电场力和洛伦兹力等大反向。即eB1v=eE（2）粒子进入磁场B2后做圆周运动，洛伦兹力提供向心力。 eB2v=m R=设质子质量为m，则氘核质量为2m，m7.质谱仪是用来测定带电粒子质量的一种装置，如图所示，电容器两极板相距为d，两板间电压为U，极板间匀强磁场的磁感应强度为B1，方向垂直纸面向外，一束电量相同质量不同的带正电的粒子沿电容器的中线平行于极板射入电容器，沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B2的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外.结果分别打在感光片上的a、b两点，设a、b两点之间距离为x，粒子所带电荷量为q，且不计重力，求：（1）粒子进入磁场B2时的速度v；（2）打在a、b两点的粒子的质量之差m.【答案】（1）（2）【解析】试题分析：（1）两极板间电场强度粒子在极板间做匀速直线运动，故qE=qvB1解得（2）带电粒子在磁场B2中做匀速圆周运动，则打在a处的粒子的轨道半径打在b处的粒子的轨道半径又x=2R12R2联立得8.如图所示，a、b、c、d为4个正离子，电荷量相等均为q，同时沿图示方向进入速度选择器后，a粒子射向P1板，b粒子射向P2板，c、d两粒子通过速度选择器后，进入另一磁感应强度为B2的磁场，分别打在A1和A2两点，A1和A2两点相距x 。已知速度选择器两板电压为U，两板距离为d，板间磁感应强度为B1(1)试判断a、b、c、d四粒子进入速度选择器的速度va、vb、vc、vd大小关系。（用、或表示）（2）试求出vc、vd，（3）试判断c、d粒子的质量mc 与md是否相等，若不等，求出它们的质量差m【答案】（1）vavc=vd vb（2）vc=vd= （3）不等 【解析】试题分析：（1）因c、d不偏转，故有Eq=Bqvc即：得，vc=vd=a粒子左偏，电场力大于洛伦兹力，所以va；b粒子右偏，洛伦兹力大于电场力，所以va，故四种粒子速度关系为vavc=vd vb（2）由（1）分析求解知vc=vd=（3）在磁场B2中运动洛伦兹力充当向心力qvBm，解得质量为m=R，因半径关系RdRc， md mc ，故质量不相等 ；由题意知： 将vc和vd代入得 点评：此题较全面的考查了粒子速度选择器和质谱仪（二）提高题9质谱仪可测定同位素的组成现有一束一价的钾39和钾41离子经电场加速后，沿着与磁场和边界均垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示测试时规定加速电压大小为U0，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小U。为使钾39和钾41打在照相底片上的区域不重叠，U不得超过多少？(不计离子的重力)【答案】U0【解析】试题分析：设加速电压为U，磁场的磁感应强度为B，电荷的电荷量为q、质量为m，运动半径为R，加速电场中由动能定理得：qUmv2磁场中由洛伦兹力充当向心力得：qvBm 由解得R由此式可知，在B、q相同时，m、U越小的半径小，反之则越大，所以下图中d2为钾39在电压为（U+U）时的直径，d3为钾41在电压为（U-U）时的直径；d3 d2d4d1设钾39质量为m1，钾41质量为m2，d2d3若要不重叠，则须d2d3，即 解得：UU0.难易程度：较难10（2012天津）（）【本资料高考网、中考网；教学网为您提供最新最全的教学资源。】对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示，质量为m、电荷量为q的铀235离子，从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做半径为R的匀速圆周运动。离子行进半个圆周后离开磁场并被收集，离开磁场时离子束的等效电流为I。不考虑离子重力及离子间的相互作用。(1)求加速电场的电压U；(2)求出在离子被收集的过程中任意时间t内收集到离子的质量M；(3)实际上加速电压的大小会在UU范围内微小变化。若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，应小于多少？(结果用百分数表示，保留两位有效数字)【答案】（1） （2） （3）【解析】试题分析：（1）设铀离子由电场飞出的速度v，根据动能定理有 进入磁场后在洛伦兹力作用下做圆周运动，根据牛顿第二定律有 由解得 （2）在时间t内收集到的粒子个数为N，粒子总电荷量为Q，则由电流定义式得 由式解得 （3）由式解得磁场中做圆周运动半径为 在B、q相同时，m、U越小的半径小，反之则越大，设铀235在电压为（U+U）为时的半径为R1，设铀238在电压为（U-U）为时的半径为R2，由两种粒子在磁场中运动的轨迹不发生交叠可知R1R2 解得 点评：同上题，多考查了电流定义式，较上题要难度大些11、如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。若静电分析器通道的半径为R，均匀辐向电场的场强为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）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？若有一群离子从静止开始通过该质谱仪后落在同一点Q，则该群离子有什么共同点？【答案】(1) RE (2)【解析】试题分析：（1）离子经加速电场有qU=mv2 离子经静电分析器做匀速圆周运动，电场力提供向心力有qE=m 由得U=RE（2）离子进入磁分析器做匀速圆周运动，洛仑兹力提供向心力有qvB= m QP=2r=具有相同的比荷点评：此题除考查电场中加速、磁场中偏转外，还考查了带电粒子在辐向电场中的匀速圆周运动。12.有一种“双聚焦分析器”质谱仪，工作原理如图所示。加速电场的电压为U，静电分析器中有会聚电场，即与圆心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向外的匀强磁场，其左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子（初速度为零，重力不计），经加速电场加速后，从M点沿垂直于该点的电场方向进入静电分析器，在静电分析器中，离子沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动，并从N点射出静电分析器。而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界，又垂直于磁场方向射入磁分析器中，最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出，并进入收集器。测量出Q点与圆心O2的距离为d，位于Q点正下方的收集器入口离Q点的距离为d/2。（题中的U、m、q、R、d都为已知量）（1）求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小；（2）求磁分析器中磁感应强度B的大小；（3）现将离子换成质量为4m ,电荷量仍为q的另一种正离子，其它条件不变。磁分析器空间足够大，离子不会从圆弧边界射出，收集器的位置可以沿水平方向左右移动，要使此时射出磁分析器的离子仍能进入收集器，求收集器水平移动的距离。【答案】(1) (2) (3) （）d【解析】试题分析：（1）设离子进入静电分析器时的速度为v，离子在加速电场中加速的过程中，根据动能定理 有 离子在静电分析器中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律有 由解得E= （2）离子在磁分析器中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律有qvB=m 由题意可知，圆周运动的轨道半径r=d 由式解得 （3） 由解得d=当换为质量为4m的粒子后由解得其在磁场中运动半径磁场中运动轨迹圆心为O3，如图，O3x由几何知识知，收集器水平向右移动的距离为x=（）d点评：此题灵活考查了学生理解能力，尤其是对收集器移动距离的理解13、（2007江苏）磁谱仪是测量能谱的重要仪器。磁谱仪的工作原理如图所示，放射源S发出质量为m、电量为q的粒子沿垂直磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，被限束光栏Q限制在2的小角度内，粒子经磁场偏转后打到与限束光栏平行的感光片P上。（重力影响不计）若能量在EEE（E0，且EE）范围内的粒子均垂直于限束光栏的方向进入磁场。试求这些粒子打在胶片上的范围x1。实际上，限束光栏有一定的宽度，粒子将在2角内进入磁场。试求能量均为E的 粒子打到感光胶片上的范围x2 【答案】（1） （2）【解析】试题分析：设粒子以速度v进入磁场，打在胶片上的位置距S的距离为x粒子在磁场中做圆周运动 粒子的动能 且 x2R解得： 化简可得： 如图，动能为E的粒子沿角入射，轨道半径相同，设为RR粒子在磁场中做匀速圆周运动 粒子的动能 由几何关系得 点评：此题难点在第一问中最后数学推导，第二问中要明确沿射入粒子打至同一点，此题数学知识要求较高14甲图是质谱仪的工作原理示意图设法使某有机化合物的气态分子导入图中的A容器，使它受到电子束轰击，失去一个电子成为正一价的离子离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场区（初速度不计），加速后再通过狭缝S2从小孔G垂直于MN射入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为上边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场，磁场的磁感应强度为B离子经偏转磁场后，最终到达照相底片上的H点（图中未画出），测得G、H间的距离为d，粒子的重力可忽略不计，试求：（1）该粒子的比荷（q/m）（2）若偏转磁场为半径为的圆形区域，且与MN相切于G点，如图乙所示，其它条件不变仍保证上述粒子从G点垂直于MN进入偏转磁场，最终仍然到达照相底片上的H点，则磁感应强度的比值为多少？GG甲MMNNBB乙【答案】（1） （2）【解析】试题分析：（1）设由加速电场中飞出速度为v，根据动能定理得 磁场中做匀速圆周运动： 由解得 （2）轨迹如图， GMNHOO/vBP设GOH=，带电粒子在磁场中运动半径为R/则tan= 即 =600则HO/=2O/P，即d-R/=2R/ 得：R/= 因为其它条件不变，由牛顿第二定律： 联立解得： 点评：此题重点考查