Spettrometro di massa

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Uno spettrometro di massa del 1989

Lo spettrometro di massa è uno strumento che serve a misurare la massa di ioni. Esso separa gli ioni aventi la stessa carica e massa diversa, o, più in generale aventi rapporto di carica su massa diverso, come sono, ad esempio, gli isotopi. Uno spettrometro particolarmente adatto alla misura delle abbondanze isotopiche è quello esclusivamente magnetico progettato intorno al 1920 da Dempster. Gli ioni prodotti da una sorgente passano attraverso una coppia di fenditure strette che ne definiscono la traiettoria e tra le quali è applicata una differenza di potenziale. All'uscita dalla seconda fenditura tutti gli ioni, indipendentemente dalla loro massa se hanno la stessa carica, possiedono l'energia cinetica:

$E_c = \frac {1}{2} m v^2 = q V$

Si ottiene così un fascio di ioni isoenergetici sottile e collimato che entra in una regione in cui agisce soltanto un campo magnetico B uniforme. Essi sono in questo modo sottoposti ad una forza, detta forza di Lorentz, data dalla seguente relazione:

$\vec F = q \cdot (\vec E + \vec v \times \vec B)$

Poiché il campo elettrico E in questo caso è nullo, la forza è dovuta al solo campo magnetico. Il raggio di curvatura della traiettoria, che si ricava eguagliando la forza di Lorentz alla forza centripeta, è dato da:

$r = \frac {m v}{q B}$

Poiché la massa m, il campo B e la carica q sono costanti, e la velocità v non cambia in modulo essendo la forza esclusivamente centripeta, anche il raggio di curvatura è costante, dunque la traiettoria descritta dalla particella è un arco di circonferenza. A parità di energia cinetica e di carica, a masse diverse corrispondono velocità diverse, e quindi raggi diversi. Il rapporto massa carica risulta quindi determinato per i vari tipi di ioni dalla misura di r, noti il campo magnetico e la differenza di potenziale acceleratrice. Il rivelatore di posizione può essere, ad esempio, una lastra fotografica.