SOLUCION SEGUNDO PARCIAL

Juan Felipe González M G9NL13Luisa Fernanda Latorre C G11NL15

¿Qué es un espectrómetro de masas?

El espectrómetro de masas es el instrumento que sirve, obviamente, para estudiar la espectrometría de masa, la cual es una técnica para medir la masa y, por tanto, la masa molecular de una molécula. Además, con frecuencia es posible obtener información acerca de las moléculas al medir las masas de los fragmentos producidos cuando se rompen las moléculas. (1)

Un espectrómetro de masas es un instrumento que produce iones y los separa de acuerdo con sus relaciones masa-carga (m/z). (2)

¿Cuál es el principio de funcionamiento?

Fuente de ionización (ionizan moléculas), analizador de masas (separan iones por su relación de masa-carga m/z), detector (registran iones separados) (1)

1. Atomización.2. Conversión de una fracción significativa de los átomos formados en la etapa 1) en un flujo de iones.3. Separación de los iones formados en la etapa 2) con base en su relación masa-carga (m/z)4. Conteo del número de iones de cada tipo o medición de la corriente iónica producida cuando los iones formados a partir de la muestra inciden en un detector adecuado. (2)

El principio del funcionamiento del espectrómetro de masas puede comprenderse si se considera una partícula con carga positiva q y masa m que se desplaza perpendicularmente a un campo magnético uniforme B. La fuerza magnética F = qv x B es perpendicular a la velocidad v, por lo cual ésta cambia de dirección pero no de módulo. El módulo de la fuerza, qvB, no varía porque v y B tienen módulo constante y permanecen perpendiculares entre sí. Como la aceleración a = F/m es constante es módulo y siempre perpendicular a v, la partícula se moverá en una órbita circular con velocidad constante en módulo. La aceleración centrípeta ap = v2/R, es producida por la fuerza magnética. Así pues el radio de la órbita debe satisfacer qvB = mv2/R. (4)

¿Cuáles son sus aplicaciones?

•Obtener espectros de masas.•Detectar e identificar el uso de esteroides en atletas.•Monitorizar durante las operaciones el aliento de los pacientes anestesiados.•Determinar la composición molecular de los compuestos químicos encontrados en el espacio.•Monitorizar los procesos de fermentación en la industria biotecnológica.•Detectar dioxinas en tejidos biológicos.•Establecer la composición elemental de materiales semiconductores.•Identificar estructuras de macromoléculas.•Secuenciar biopolímeros.•Determinar la presencia de drogas de abuso en fluidos biológicos.•Análisis forense.•Análisis de contaminantes ambientales.•Identificar y cuantificar compuestos en mezclas complejas.•Realizar análisis inorgánicos multielemento. (3)

Tomado de: McMURRY, John. Química orgánica.

Presente ejemplos

Que campo magnético se necesita para hacer que un ion O2 se mueva en una orbita circular de radio 2m a 106

m/s? (La masa del ion O2 es aproximadamente 32 u, donde 1u = 1,66 * 10-27kg)La carga del ion es e = 1,60 * 10-19C.

Utilizando:

¿Qué es un ciclotrón?

Es un dispositivo que puede acelerar partículas con carga a considerables magnitudes de velocidad. Las partículas energéticas producidas son utilizadas para bombardear los núcleos atómicos, produciendo así reacciones nucleares de interés para los investigadores.(5)

Fue inventado para acelerar partículas tales como protones o deuterones hasta conseguir una energía cinética elevada. Para bombardear núcleos atómicos se utilizan partículas de alta energía: así se producen reacciones nucleares que se estudian con objeto de tener información acerca del núcleo.(6)

¿Cuál es el principio de funcionamiento?

Las partículas se mueven en el interior de dos recipientes metálicos semicirculares denominados des. Los recipientes están contenidos en una cámara de vacio situada en el interior de un campo magnético proporcionado por un electroimán. En la región en la cual se mueven las partículas debe haberse realizado el vacio para que las partículas no pierdan energía y no sean dispersadas en choques con las moléculas de aire. Entre las des se mantiene un diferencia de potencial que se alterna en el tiempo con un periodo T, elegido de modo que sea igual al periodo de ciclotrón, Esta diferencia de potencial crea un campo eléctrico en el espacio hueco comprendido entre las des. No existe campo eléctrico dentro de las des debido al blindaje metálico.

Tomado de: TIPLER, Paul. Física para la ciencia y la tecnología.

Las partículas cargadas positivamente se inyectan inicialmente en la de1 con una velocidad pequeña, procedentes de una fuente de iones S próxima al centro de las des. Se mueven en una semicircunferencia en de1 y llegan al hueco que hay entre las des al cabo de un tiempo . El potencial se ajusta de modo que la de1 está a mayor potencial que la de2 cuando las partículas llegan al espacio hueco entre ambas. Cada partícula se acelera, por lo tanto, a través de este hueco a causa del campo eléctrico y gana una energía cinética igual a

Al poseer más energía cinética, la partícula se mueve en un semicírculo de mayor radio en la de2, y de nuevo llega al hueco después de un tiempo En este tiempo el potencial entre las des se ha invertido. De nuevo la partícula se acelera a través del hueco y gana una energía cinética adicional igual aDe este modo se mueve en orbitas semicirculares cada vez mayores, hasta que finalmente abandona el campo magnético. En un ciclotrón típico, cada partícula realiza de 50 a 100 revoluciones y emerge con energía de hasta varios centenares de mega electrón-voltios (MeV). (6)

¿Cuáles son sus aplicaciones?

Fines médicos, producción de sustancias radiactivas para el diagnostico y el tratamiento.

Tomado de: http://www.madrimasd.org/blogs/ciencianuclear/wp-content/blogs.dir/89/files/486/o_cyclotron.jpg

Presente ejemplos

Un ciclotrón que acelera protones posee un campo magnético de 1,5 T y un radio máximo de 0,5 m.

a) Cuál es la frecuencia del ciclotrón?

b) Determinar la energía cinética con que emergen los protones.

Calcular el campo magnético que produce una corriente de 1 A a un metro de distancia.

El campo magnético cercano a un conductorrecto delgado, esta dado por:

Dado que se hace referencia a un alambreinfinitamente largo, se tiene que . Por lo tanto:

Reemplazando los valores dados:

Calcular el campo magnético que produce unacorriente I en el interior de un solenoide con una densidad de n espiras (n=N/L)

Para encontrar el campo magnético a través del solenoide, se usara la ley de Ampere, la cual esta definida de la siguiente forma:

Se considerara el solenoide como ideal, es decir con una longitud infinita y vueltas muy apretadas. En este caso, la corriente total esta definida por

Por lo tanto, se tiene:

Dado que el campo magnético es uniforme:

Solucionando la integral:

Despejando B:

Y dado que es decir el número de vueltas por unidad de longitud. Se tiene:

Dos alambres paralelos se atraen cuando son portadores de corrientes paralelas. Calcular su fuerza de atracción si la longitud de los alambres es 2 m, separados una distancia de 3 mm y la corriente I = 8 A.

Dado que el problema define que las corrientes de los alambres son paralelas la fuerza que se presenta es de atracción.

Por definición (Lorentz) se sabe que la fuerza ejercida sobre un segmento de alambre conductor que transporta corriente en un campo uniforme es:

Como se observa en la imagen l es perpendicular a B.

Tomado de : http://3.bp.blogspot.com/_wF2EKZQXMCw/SjsE0-QW3CI/AAAAAAAAAGE/YAJ72-E7tKY/s320/8.JPG

Por lo tanto:

Dado que el campo magnético de un alambre se genera en el alambre contrario, la fuerza de un alambre esta definida por el campo magnético de su alambre contrario.

Por consiguiente:

Donde esta definida por:

Por lo tanto se tiene que:

Reemplazando los valores dados:

Donde ira en dirección al alambre 2, en caso contrario, tendrá la misma magnitud de pero tendrá una dirección contraria.

Una barra metálica de longitud L y masa M se desliza con una velocidad v libremente y sin fricción, sobre dos rieles metálicos paralelos, ver Figura. La barra tiene una resistencia R y la resistencia de los rieles es despreciable. Un campo magnético constante B uniforme y entra perpendicularmente al plano del circuito. Calcular la aceleración que se originará en la barra.

A partir de la segunda ley de Newton se tiene:

Donde la fuerza que actúa sobre la barra es la magnética.

Por lo tanto:

Donde corresponde a una fem inducida en movimiento sobre la resistencia es decir:

Por lo tanto:

1. McMURRY, John. Química orgánica.2. SKOOG, Douglas. Principios de ANÁLISIS instrumental.3. SOGORB SANCHEZ, VILANOVA GISBERT. Técnicas

analíticas de contaminantes químicos – Aplicaciones toxicológicas, medioambientales y alimentarias.

4. KANE, STERNHEIM. Física.5. SERWAY, Raymond. Física para ciencias e ingeniería con

física moderna.6. TIPLER, Paul. Física para la ciencia y la tecnología.

Bibliografía