El espectrómetro de masas

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Electromagnetismo

Movimiento de las
partículas  cargadas 
Fuerzas sobre las 
cargas
Atomo de Bohr
El osciloscopio
Separación de
semillas
Motor iónico
Acelerador lineal
Medida de la relación
carga/masa
Medida de la unidad
fundamental de carga
marca.gif (847 bytes)El espectrómetro
  de masas
El ciclotrón
Campos eléctrico y
magnético cruzados
El selector de velocidades

Región semicircular

java.gif (886 bytes) Actividades

 

El espectrómetro de Bainbridge es un dispositivo que separa iones que tienen la misma velocidad. Después de atravesar las rendijas, los iones pasan por un selector de velocidades, una región en la que existen un campo eléctrico y otro magnético cruzados.

Los iones que pasan el selector sin desviarse, entran en una región donde el campo magnético les obliga a describir una trayectoria circular. El radio de la órbita es proporcional a la masa, por lo que iones de distinta masa impactan en lugares diferentes de la placa.

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El objetivo del programa consiste en contar el número de isótopos de un elemento y hallar sus masas en unidades u.m.a. Para ello, se deberá seleccionar cuidadosamente la magnitud del campo eléctrico y del campo magnético, y medir sobre la escala graduada los diámetros de sus trayectorias semicirculares..

 

El selector de velocidades

El selector de velocidades es una región en la que existe un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de la velocidad del ión. En esta región los iones de una determinada velocidad no se desvían.

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  • El campo eléctrico ejerce una fuerza en la dirección del campo. El módulo de dicha fuerza es Fe=q·E
  • El campo magnético ejerce una fuerza cuya dirección y sentido vienen dados por el producto vectorial Fm=q·v´B, cuyo módulo es Fm=q·vB1

El ión no se desvía si ambas fuerzas son iguales y de sentido contrario. Por tanto, atravesarán el selector de velocidades sin desviarse, aquellos iones cuya velocidad sea igual al cociente entre la intensidad del campo eléctrico y del campo magnético.

 

Región semicircular

ESPEC_2.gif (2592 bytes) A continuación, los iones pasan a la región donde el campo magnético hace que describan trayectorias semicirculares hasta que alcanzan la placa superior en la que quedan depositados.

En esta región, el ión experimenta una fuerza debida al campo magnético, cuya dirección y sentido viene dada por el producto vectorial Fm=q·v´B,  y cuyo módulo es Fm=q·vB2.

Aplicando la ecuación de la dinámica del movimiento circular uniforme, hallamos el radio de la trayectoria circular.

 

Actividades

Se elige el elemento que se quiera analizar en el control selección titulado Elementos.

Se introduce

Selector de velocidades (en color rosa)

  • la intensidad del campo eléctrico (en N/C), en el control de edición titulado C. eléctrico
  • la intensidad del campo magnético B1 (en gauss=10-4 T), en el control de edición titulado C. magnético

Región semicircular (color amarillo)

  • la intensidad del campo magnético B2 (en gauss=10-4 T), en el control de edición titulado C. magnético

Se pulsa el botón titulado Trayectoria

Se modifica el valor de los campos magnéticos (y en su caso del eléctrico) hasta que los radios de las semicircunferencias de cada isótopo se puedan medir lo mejor posible.

Determinar la masa de cada isótopo (ha de dar como resultado un número entero o próximo al mismo). Se tendrá en cuenta que

  • Los radios se miden en cm.
  • El campo magnético en gauss (un gauss = 0.0001 T)
  • Una unidad de masa atómica vale 1.67·10-27 kg.
  • Una unidad de carga vale 1.6·10-19 C

Comprobar los valores calculados pulsando en el botón titulado Respuesta.

Completar sobre un papel una tabla como la siguiente.

Elemento Campo Eléctrico E (N/C) Campo magnético B1 (T) Velocidad v (m/s)
       
Campo magnético B2 (T)=
Radio r (m) Masa  m (kg) Masa  m(uma)
     
     

Ejemplo:

  • Se elige el Hidrógeno
  • Campo eléctrico E=2.0 N/C
  • Campo magnético B1=B2=12·10-4 T

El selector de velocidades permite el paso de  los iones que tengan una velocidad de

Medimos los diámetros 2r de la trayectoria semicircular que describen los tres isótopos de hidrógeno, y calculamos su masa en kg mediante la fórmula

La masa en kg la expresamos en uma y tiene que dar un número entero o próximo a un entero

Elemento Campo Eléctrico E (N/C) Campo magnético B1 (T) Velocidad v (m/s)
Hidrógeno 2.0 12·10-4 1666.67
Campo magnético B2 (T)=12·10-4
Radio r (m) Masa  m (kg) Masa  m(uma)
0.014 1.612·10-27  0.97≈1
0.029 3.341·10-27 2.0
0.043 4.954·10-27  2.97≈3

 

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