Descripción de la tarea

La espectrometría de masas es una técnica de análisis que permite determinar la masa de las partículas presentes en una muestra. El espectrómetro permite analizar con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos atómicos en función de su relación carga-masa (z/m). Se utiliza para identificar los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto. En la industria es altamente utilizada en el análisis elemental de semiconductores, biosensores, cadenas poliméricas complejas, fármacos, productos de síntesis química, análisis forense, contaminación medioambiental, perfumes y todo tipo de sustancias que sean susceptibles de pasar a fase vapor e ionizarse sin descomponerse.

Científica preparándose para utilizar el espectrómetro de masas. Imagen de dominio público en Wikipedia. 

Grosso modo el funcionamiento de un espectrómetro es el siguiente. La muestra se introduce en un ionizador que mediante el bombardeo de electrones da lugar a una serie de iones de las moléculas o parte de estas. Estos iones son acelerados por un campo eléctrico. Se pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos combinados para seleccionar la velocidad de los iones. A continuación sufren el efecto de un campo magnético que curva sus trayectorias de diferente modo en función de sus masas y cargas. El espectrómetro ofrece un gráfico donde se recuentan el número de partículas que han colisionado en un colector en función del cociente q/m.

En el siguiente simulador te mostramos el funcionamiento simplificado de un espectrómetro. En la zona 1 se aplican de forma combinada un campo eléctrico E₁ y un campo magnético B₁ para que solo pasen a la zona 2 los iones con determinada velocidad. En la Zona 2 se aplica un campo magnético B₂ provocando que el ion curve su trayectoria. Las cargas se inyectan en la Zona 1 con velocidades diferentes pero todas ellas paralelas al eje Y. Todas las cargas son negativas.

La animación ofrece diferentes casos al recargar el navegador. Anota el caso y los datos con los que vas a trabajar y responde a las siguientes cuestiones:

1. Explica qué expresión matemática permite calcular la fuerza ejercida por un campo eléctrico sobre una carga eléctrica indicando las unidades y el carácter escalar o vectorial de las magnitudes que intervienen.
2. Explica qué expresión matemática permite calcular la fuerza ejercida por un campo magnético sobre una carga eléctrica móvil indicando las unidades y el carácter escalar o vectorial de las magnitudes que intervienen. 
3. Sabiendo que la carga q₁ describe una trayectoria recta sin desviarse a izquierda o a derecha en la Zona 1, ¿cuál es su velocidad?
4. ¿Por qué se desvían a izquierda y derecha las cargas q₂ y q₃?
5. Deduce una expresión que te permita calcular la relación q/m de la carga q₁ conociendo el radio de la circunferencia que describe en la Zona 2?
6. Calcula la relación q/m de la carga q₁ en este caso.
7. ¿Qué ocurriría con el radio de curvatura en la Zona 2 de la trayectoria de la carga q₁ si la velocidad con que se mueve se multiplica por 2?
8. La partícula q₁ sufre el efecto de tres campos en su paso por las Zonas 1 y 2 sin modificar el módulo de su velocidad. ¿Realiza alguno de estos campos trabajo sobre la carga?