Question

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点沿垂直于该点的场强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。

（1）求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小；

（2）求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向；

（3）通过分析和必要的数学推导，请你说明如果离子的质量为0.9m，电荷量仍为q，其他条件不变，这个离子射出电场和射出磁场的位置是否变化。

Answer 1

略

解析:

解：（1）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

                                        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，由动能定理有

                                       ②

由①②解得

                                          ③     6分

（2）离子在磁分析器中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有

                                       ④

由题意可知，圆周运动的轨道半径

r=d                          ⑤

由②④⑤式解得

                                     ⑥

         磁场方向为垂直纸面向外。                        6分

    （3）设质量为0.9m的离子经加速电场加速后，速度为v′，由动能定理可得

              ⑦

         由②⑦式可得

                                   ⑧

新离子进入电场时与O1的距离仍为R，新离子如果在电场中做半径为R的匀速圆周运动，所需要的向心力

                          ⑨

由①⑧⑨式可得

即该离子所受电场力，恰好等于它若做匀速圆周运动的向心力，因此这个离子仍然在静电分析器中做半径为R的匀速圆周运动，仍从N点射出。

             由②④式可知，离子在磁分析器中做匀速圆周运动的半径，与离子的质量有关，所以不能沿原来的轨迹从Q点射出磁场。   6分