UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun Mesure des masses atomiques

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1 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 1 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ASTER M ATÉRIAUX ET R AYONNEMENT, E NERGIE ET E NVIRONNEMENT P HYSIQUE N UCLÉAIRE S EMESTRE 1

2 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 2 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE P HYSIQUE N UCLÉAIRE M ESURE DES MASSES ATOMIQUES

3 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 3 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE S PECTROMÉTRIE DE MASSE La spectrométrie de masse est une technique d'analyse qui permet la détermination des masses moléculaires des composés analysés, l’identification des substances et leur quantification. Elle est fondée sur la séparation et la détection d'ions formés dans une source d'ionisation. La détermination des masses atomiques des noyaux lourds (en général) est difficile par le spectroscope et peut se faire par une approche différente en déterminant l'énergie libérée lors des réactions nucléaires de mesurer de l'énergie totale de désintégration en tenant compte de l'énergie de recul des noyaux émetteurs a ou b.

4 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 4 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE SPECTROMÈTRE DE MASSE Composition de base d'un spectromètre de masse: Un système d'introduction de l'échantillon Une source d'ions ou chambre d'ionisation Un analyseur qui sépare les ions en fonction de leur masse et de leur charge Un détecteur qui détecte les ions sortant de l'analyseur S PECTROGRAPHE D ’A STON SPECTROMÈTRE DE B AINBRIDGE

5 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 5 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE L’échantillon peut être introduit sous plusieurs formes directement dans la source (liquide, solide ou gazeux) ou encore être introduit à la suite d’une méthode de séparation. La source d’ionisation consiste à mettre l’échantillon sous forme de faisceau ionique (positif ou négatif). Il existe plusieurs types de sources d’ionisation l’ionisation électronique, le couplage par plasma inductif, l’ionisation thermique S OURCE D ’ IONS Les spectrographes modernes utilisent encore l’ionisation électronique: Des électrons émis par un filament rencontrent les molécules qui entrent dans la source

6 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 6 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE F ILTRE DE VITESSE Les ions sortant de la source sont soumis à une différence de potentielle V si bien qu'ils acquièrent l'énergie cinétique: Source d’ions  Chambre d’analyse La déviation du faisceau est nulle si ces forces se compensent. Tous les ions ont la même vitesse

7 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 7 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ÉTHODES DE SÉPARATION DES IONS Les ions de vitesse v pénètrent dans l’analyseur où règne un champ magnétique B 1 perpendiculaire à la trajectoire des ions. Si B est constant, la force F est constante et constamment perpendiculaire à la trajectoire, provoquant un mouvement circulaire uniforme de l'ion. 

8 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 8 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ÉTHODES DE SÉPARATION DES IONS - C HAMP ÉLECTRIQUE Par un condensateur courbe, fournissant un champ électrique constant E 1, toujours perpendiculaire à la trajectoire. la force F est constante et constamment perpendiculaire à la trajectoire, provoquant un mouvement circulaire uniforme de l'ion.

9 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 9 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ÉTHODES DE SÉPARATION DES IONS -T EMPS DE VOL mesure des temps de parcours d'un tube, de longueur L, par les ions, accélérés par un potentiel V dans la source Si V est constant, on peut relier t et m/q. il n’y a pas de dispersion du faisceau Généralement, les ions proviennent de la source: v i =0 Start Stop

10 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 10 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ÉTHODES DE DÉTECTION Electrique quantitative Avant de pénétrer dans le détecteur, le courant ionique traverse une fente de définition, qui diminue sa dispersion. Après détection et amplification, le signal est enregistré et traité informatiquement.

11 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 11 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE A BONDANCE ISOTOPIQUE http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/krypton.html Quelques masses

12 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 12 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ÉTHODES DE DÉTECTION Photographique, qualitative Source d’ions  Chambre d’analyse  Impact On observe sur la plaque photographique des taches T i correspondants aux impact des ions provenant de l'ionisation de l’échantillon. L'impact le plus éloigné du point est dû au cation le plus lourd.

13 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 13 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE S PECTROMÈTRE DE MASSE http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/specmass.html Lecture

14 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 14 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE S PECTROMÈTRE DE MASSE http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/specmass.html

15 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 15 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE M ASSE DE R ÉFÉRENCE, Les physiciens proposaient de donner la masse 16 non pas à l’oxygène naturel mais bien plutôt à l’oxygène16. Il y avait donc une différence importante entre l’échelle des chimistes et celle des physiciens. On chercha à se mettre d’accord. En 1957, ORLANDER et NIER proposèrent plutôt d’utiliser le carbone12 comme référence. En effet, la séparation de cet élément était devenu plus facile que celle de l’oxygène16, le carbone étant en outre un constituant universel d’une famille sans limite de composés. Ce choix fut ratifié en 1960 à Ottawa par l’Union internationale de physique et en 1961 à Montréal par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC).

16 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 16 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE U NITÉ DE MASSE ATOMIQUE, L’ Unité de masse atomique (u) est définie comme le 1/12 de la masse d'un atome de 12 C (carbone), non lié, au repos et dans son état fondamental. En d'autres termes, un atome de 12 C a une masse de 12 u. 1 mole d'atomes de 12 C a une masse de 12 × N × u = 12 g, N (nombre d'Avogadro) En conséquence 1 u  1,66054 × 10 -27 kg Exprimer l’unité de masse atomique en fonction de son équivalent en énergie 1 u × c 2 = (1.66054 × 10 -27 kg)×(2.9979 x 10 8 m/s) 2 1 u × c 2 = 1.4924 x 10 -10 J 1 u × c 2 = 931.494028 MeV  1 u × c 2  931.5 MeV

17 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 17 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE, M ÉTHODE DES DOUBLETS Pour réduire les erreurs expérimentales, il est préférable de mesurer la différence  d'un doublet de molécules ayant des masses assez proches. Par exemple, pour déterminer la masse de 1 H, on considère les molécules C 9 H 20 et C 10 H 8 qui ont des masses voisines. La différence mesurée entre les doublets est  = 0.093390032 0.00000012 uma. En négligeant les corrections dues aux énergies de liaison des molécules qui sont de l'ordre de 10 -9 uma, on peut écrire:

18 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 18 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE

19 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 19 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE TD 4: Spectrographe de masse Un proton, de masse m et de charge q, est placée dans un champ électrique uniforme E créé en maintenant, entre deux plaques conductrices, parallèles et distantes de d, une différence de potentiel U. Les plaques sont dans le vide et percées, l'une en A, l'autre en D, pour permettre le passage des particules. Le proton est initialement au repos en A. 1.Calculer l'intensité de la force électrique à laquelle le proton est soumis. 2.Quelle est la vitesse v du proton en D 3.Calculer le rayon R de la trajectoire. 4.Une seconde particule, de masse m inconnue, de même charge que celle du proton, également au repos en A, subit d'abord l'action du champ électrique uniforme et atteint D avec la vitesse v’. Elle est ensuite soumise à l'action du champ magnétique uniforme et décrit d'un mouvement uniforme une circonférence de rayon R. Établir la relation entre R’, R, m’ et m. 5.L'expérience permet la mesure de DC’, on a trouvé 362 mm. Calculer m. Quelle est cette seconde particule ?

20 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 20 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE le théorème de l'énergie cinétique Le mouvement est circulaire uniforme deutérium

21 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 21 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE TD 5: Spectrographe de masse Dans un spectrographe, les ions (supposés sans vitesse initiale) sortent d'abord d'un ioniseur dans lequel ils sont accélérés sous une tension U = 10 kV. Ils pénètrent ensuite dans un champ magnétique B = 0,1 T transversal uniforme et indépendant du temps. Ils décrivent alors un demi-cercle et viennent impressionner une plaque photographique. a)Déterminer la vitesse des particules à la sortie de l'accélérateur. b)Déterminer la distance d séparant les deux points d'impact sur la plaque photographique, associés à deux isotopes. c)Calculer cette distance pour les isotopes du 39 K et 41 K ionisés une fois.

22 UCD - El Jadida - Pr. Benjelloun 22 Physique Nucléaire 10/11/2016 MREE