Question

【題目】在研究某種未知?dú)怏w時(shí)，有時(shí)需要分析氣體原子的組成。如圖所示，讓某種中性氣體分子進(jìn)入電離室A，在那里被電離成等離子體（等離子體就處在高溫下電離的氣體，其中包含有帶正電和帶負(fù)電的粒子，中性氣體電離后帶負(fù)電的粒子是電子，帶正電的是正離子)。這些粒子從電離室縫S1飄出（飄出速度可視為0），隨即進(jìn)入S1與S2之間的加速電場(chǎng)被加速，然后粒子從縫S2垂直進(jìn)處入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)的觸刀擲向1、2時(shí)，粒子經(jīng)過(guò)半個(gè)圓周期后打在底片上的P點(diǎn)，己知縫S2與P之間的距離為d1=2.0cm。當(dāng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)的觸刀擲向3、4時(shí)，粒子打在底片上的Q點(diǎn)，己知縫S2與Q點(diǎn)間在平行S2P方向上距離為d2=6.4cm。磁場(chǎng)寬度d=30cm。假設(shè)種子的質(zhì)量mn=mp，且約為電子質(zhì)量me的1800倍，即mn=mp=1800me。試確定這種氣體原子的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)。

Answer 1

【答案】見(jiàn)解析

【解析】

當(dāng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)的觸刀擲向1、2時(shí)，S1所在極板接電源負(fù)極，S2所在極板接電源正極，因此只有負(fù)離子（即電子）從電離室縫S1進(jìn)入加速電場(chǎng)被加速，之后從縫S2垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，依左手定則判斷出電子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)受洛侖茲力方向向右，由此可知電子打在P點(diǎn)。

電子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為

，

對(duì)于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)：

電子在電場(chǎng)中加速：

解得

。

當(dāng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)的觸刀擲向3、4時(shí)，S1所在極板接電源正極，S2所在極板接電源負(fù)極，因此只有正離子從電離室縫S1進(jìn)入加速電場(chǎng)被加速，再?gòu)目pS2垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

如圖所示，設(shè)打到Q點(diǎn)的正離子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r2，根據(jù)幾何關(guān)系有：

解得

r2=73.5cm。

設(shè)正離子的質(zhì)量為m，同理得：

即

所以組成此氣體的原子的質(zhì)子數(shù)為1，中子數(shù)為2，此氣體原子是氫的同位素氚。