Misura della massa di atomi e molecole grazie all'elettromagnetismo

Lo spettrometro di massa è uno strumento utilizzato per la misurazione della massa di un atomo o di molecole. Esso sfrutta campi elettrici e magnetici, e proprio per questo, in realtà, misura la massa solamente degli ioni, in quanto solo essi subiscono l'effetto di questo tipo di campi.
Vediamo come funziona il procedimento di spettrometria della massa. Per prima cosa è necessario fornire calore alla sostanza in questione in modo da ottenere in questa maniera degli ioni dotati di carica q.
Il fascio che a questo punto si va ad immettere nello spettrometro sarà formato da un'ampia distribuzione di velocità, ed è per questo necessario selezionare solo gli ioni dotati di particolari velocità. Per fare questo si utilizza un selettore di velocità, ovvero due placche che generano un campo elettrico ed uno magnetico, vediamo a livello di formule come questo permette il filtraggio delle particelle.

In mezzo alle placche (una carica positivamente sopra, una carica negativamente sotto, vedere illustrazione) il campo elettrico genera sulle particelle provenienti da sinistra una forza F_e = qE diretta verso il basso, mentre il campo magnetico (entrante) una forza F_m = qvB₁ diretta verso l'alto (per la regola della mano destra). Dunque molte particelle verranno deflesse ma nel caso in cui queste due forze si eguaglino avremo per un valore di v_s per il quale le particelle non vengono deflesse.

[1] qE = qvB₁ => v_s = E / B₁

[2] E = V / d => v_s = V / (d B₁)

Dunque variando i parametri del voltaggio (V), la distanza tra le placche (d) e l'intensità del campo magnetico (B₁) è possibile ottenere un fascio di particelle con velocità desiderata v_s.
Questo fascio viene poi fatto passare in un campo magnetico B₂, anche in questo caso perpendicolare al piano ma uscente. Il fascio di particelle subirà la forza di Lorentz (pari a F = qvB₂), che essendo sempre perpendicolare alla velocità, fa deflettere le particelle secondo una traiettoria circolare.

[3] r = (m v) / (q B₂)

e inserendo la v ricavata in [2]

[4] r = (m V) / (qB₁B₂d)

dunque per ottenere la massa:

[5] m = (qB₁B₂d / V) r

Trovare il raggio della circonferenza non presenta particolari difficoltà. Dato che la quantità tra parentesi è costante, la massa varia in relazione al raggio della circonferenza compiuta.

Oggi gli spettrometri di massa hanno vari utilizzi tra i quali la datazione di rocce o manufatti umani antichi attraverso la misura della quantità di isotopi instabili presenti su di essi. È inoltre possibile stabilire la composizione di miscugli complessi, di molecole organiche e persino la rilevazione di impurezze varie.