Isotopes et masse atomique relative

À propos de cette expérience

Mélange les isotopes d’un élément, calcule la masse atomique moyenne et lance les ions dans un secteur magnétique. Distingue les variations d’abondance des variations de masse, de charge ionique et de géométrie de l’instrument.

Objectifs pédagogiques

Calcule une masse moyenne pondérée par l’abondance.
Relie le rapport masse/charge à un spectre de masse.
Teste l’effet de la tension d’accélération et du champ magnétique sur la trajectoire d’un ion.

Comment l’utiliser

1Enregistre le mélange représentatif de chlore et compare sa masse moyenne à 35 et 37.
2Augmente à un la fraction de l’isotope le plus léger et prédis le pic restant du spectre.
3Lance les ions et compare leurs rayons et leurs temps d’arrivée.
4Double le champ magnétique et vérifie si les deux rayons sont divisés par deux tandis que la masse atomique moyenne reste fixe.

Le modèle

m ˉ = x m_{1} + (1 - x) m_{2}

La moyenne utilise les masses isotopiques neutres et les fractions numériques prescrites.

\frac{1}{2} m v^{2} = q V, r = \frac{m v}{q B} = \frac{1}{B} \frac{2 mV}{q}

Tous les ions sont accélérés par la même différence de potentiel.

t_{1/2} = \frac{π m}{q B}, d_{detector} = 2∣ r_{2} - r_{1} ∣

Le détecteur intercepte l’extrémité d’une trajectoire semi-circulaire.

Hypothèses

Les masses et les valeurs représentatives d’abondance proviennent du NIST. Les abondances isotopiques naturelles peuvent varier d’un échantillon à l’autre.
Les ions ont la même charge positive entière sélectionnée. Les masses au repos des électrons sont soustraites ; les corrections de masse dues à l’énergie de liaison d’ionisation sont négligées.
L’accélération est instantanée au moment de l’injection ; le champ magnétique est uniforme. Les collisions, la largeur du faisceau et la réponse du détecteur sont omises. L’échelle ajustée du dessin ne modifie pas les mesures en millimètres.

À essayer en classe

Q1Pourquoi une variation de l’abondance modifie-t-elle la hauteur du pic, mais pas sa position ?
Q2Pourquoi la masse isotopique diffère-t-elle de son nombre de masse entier ?

Foire aux questions

La moyenne pondérée est-elle la masse d’un seul atome ?

En général, non. C’est la moyenne pondérée par le nombre d’une population d’isotopes ; un atome individuel possède une masse isotopique propre.

Une charge plus élevée courbe-t-elle davantage le faisceau ?

À tension et masse fixes, le rayon est inversement proportionnel à la racine carrée de la charge. L’ion quitte également l’accélérateur plus rapidement.