Раздел 3. инструкции по выполнению лабораторных работ и индивидуальных расчетно-графических заданий
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА И ИРГЗ № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЧАСТИЦЫ МЕТОДОМ ОТКЛОНЕНИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
· Знакомство с компьютерным моделированием движения заряженных частиц в магнитном поле.
· Ознакомление с принципом работы масс-спектрометра.
· Определение удельного заряда частиц.
Ознакомьтесь с теорией в учебниках: 1. Трофимова Т.И. Курс физики, гл. 14, §115. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 23, §23.3.
Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 1.2. «Масс-спектрометр». Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
1. СИЛА ЛОРЕНЦА – сила, действующая на частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью v в однородном магнитном поле с индукцией В:
(1)
Модуль этой силы равен
, (2)
где a – угол между векторами 
и 
. Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы, сообщает ей только нормальное ускорение и вызывает искривление траектории частицы.
Если частица влетает в однородное магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции, то она будет двигаться по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона динамики:
. (3)
УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДОМ ЧАСТИЦЫ называется отношение заряда частицы к её массе. Тогда из формулы (3) удельный заряд будет равен:
. (4)
Период обращения частицы 
равен:
, (5).
Если все внешние параметры поддерживаются постоянными, то по величине радиуса или по времени пролета можно определить массу атома (молекулы).
2. МАСС-СПЕКТРОМЕТРОМ называется прибор для разделения ионизованных молекул и атомов по их массам, основанный на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме.
Схема устройства масс-спектрометра показана на рис. 1.
В ионизационную камеру (2), где с помощью насоса (9) поддерживается высокий вакуум (~10–6 мм рт. ст.) запускаются атомы или молекулы исследуемого вещества. Под действием радиоактивного излучения или потока быстрых электронов (4) они теряют один или несколько электронов, превращаются в ионы и ускоряются до определенной скорости электрическим полем (5). Под действием внешнего магнитного поля, перпендикулярного движению частиц (6), ионы отклоняются от прямолинейной траектории. Если в данном веществе присутствуют атомы или молекулы с различной массой, то более легкие частицы (с тем же зарядом) отклоняются от центральной оси сильнее, чем более тяжелые (7,8). В результате они попадают на детектор в разных местах. Через усилитель (10) сигнал подается на самописец (11). В итоге регистрируется масс-спектр – зависимость интенсивности сигнала (количества частиц) от отношения массы образующихся при ионизации частиц к их заряду (m/qe).
Рис. 1. Схема масс-спектрометра.
1 – резервуар, 2 – ионизационная камера, где поддерживают высокий вакуум, 3 – впуск, 4 – источник излучения (электронная пушка), 5 – отрицательно заряженные пластины, 6 – магнитное поле, 7 – траектория частиц с малой и 8 – с большой массой, 9 – место подключения к вакуумному насосу, 10 – усилитель, 11 – самописец.
3. ИЗОТОПАМИ называются атомы одного химического элемента, различающиеся по массе (т.е. по количеству нейтронов в ядре). В настоящее время известно более 2000 различных изотопов, из них около 280 стабильны и существуют в природе, остальные получены искусственно. Изотопы одного и того же химического элемента в химических реакциях ведут себя практически одинаково, но отличаются по физическим свойствам. Относительная атомная масса данного элемента Ar складывается из относительных масс каждого из изотопов Ari , существующих у этого элемента, с учетом содержания данного изотопа в природе wi:
, (6).
На рис. 2. изображена компьютерная модель масс-спектрометра, в котором происходит разделение изотопов по массам.
Рис. 2.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:
1.Подведите маркер мыши к регулятору величины магнитной индукции, нажимая левую кнопку мыши, установите значение В, заданное в таблице 1 для вашего варианта.
Таблица 1 (не перерисовывать)