Question

质谱仪可以测定有机化合物分子结构，质谱仪的结构如图1所示．有机物的气体分子从样品室注入“离子化”室，在高能电子作用下，样品气体分子离子化或碎裂成离子（如C₂H₆离子化后得到C₂H₆⁺、C₂H₂⁺、CH₄⁺等）．若离子化后的离子均带一个单位的正电荷e，初速度为零，此后经过高压电源区、圆形磁场室，真空管，最后在记录仪上得到离子，通过处理就可以得到离子质荷比（m/e），进而推测有机物的分子结构．已知高压电源的电压为U，圆形磁场区的半径为R，真空管与水平面夹角为θ，离子进入磁场室时速度方向指向圆心．

（1）请说明高压电源A端应接“正极”还是“负极”，磁场室的磁场方向“垂直纸面向里”还是“垂直纸面向外”；

（2）C₂H₆⁺和C₂H₂⁺离子同时进入磁场室后，出现了轨迹Ⅰ和Ⅱ，试判定它们各自对应的轨迹，并说明原因；

（3）若磁感应强度为B时，记录仪接收到一个明显信号，求与该信号对应的离子质荷比（）；

（4）调节磁场室磁场的大小，在记录仪上可得到不同的离子．设离子的质荷比为β，磁感应强度大小为B，为研究方便可作B﹣β关系图线．当磁感应强度调至B₀时，记录仪上得到的是H⁺，若H⁺的质荷比为β₀，其B﹣β关系图线如图2所示，请作出记录仪上得到了CH₄⁺时的B﹣β的关系图线．

Answer 1

【考点】： 质谱仪和回旋加速器的工作原理．

【分析】： （1）根据正离子在电场中加速确定高压电源A端为正极还是负极．根据左手定则判断磁场的方向．

（2）根据动能定理和洛伦兹力提供向心力得出半径的表达式，结合表达式分析判断．

（3）粒子在磁场中偏转，根据几何关系得出粒子的半径大小，结合半径公式求出该信号对应的离子质荷比．

（4）根据离子质荷比的表达式，得出磁感应强度B与质荷比的关系，从而进行求解．

【解析】： 解：（1）正离子在电场中加速，可知高压电源A端应接“负极”；根据左手定则知，磁场室的磁场方向应是垂直纸面向外

（2）设离子通过高压电源后的速度为v，由动能定理可得

，

离子在磁场中偏转

联立解得r=，

由此可见，质量大的离子的运动轨迹半径大；

对应的轨迹是轨迹Ⅱ；对应的轨迹是轨迹Ⅰ．

（3）粒子在磁场中偏转，由几何关系可得：

，

由（2）代入可得：

，

（4）由上题结论知：

，

得：B=，

对H⁺有：，

对有：β=16β₀，

B=．

故此可得CH₄⁺时的B﹣β的关系图线如下图所示：

答：（1）高压电源A端应接“负极”；磁场室的磁场方向应是垂直纸面向外．

（2）对应的轨迹是轨迹Ⅱ；对应的轨迹是轨迹Ⅰ．

（3）该信号对应的离子质荷比．

（4）如图所示．

【点评】： 本题考查了带电粒子在电场中的加速和磁场中的偏转，结合动能定理和半径公式分析判断，难度中等．