Gli spettrometri di massa sono strumenti adoperati dai fisici (e anche dai chimici), in laboratorio, al fine di determinare le percentuali degli isotopi di un elemento presenti all’interno di un campione.
Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento chimico (medesimo numero di protoni, ossia medesimo numero atomico, indicato con Z) di un elemento, ma aventi un diverso numero di massa (il numero di massa A è dato dalla somma del numero atomico e del numero di neutroni N, ossia A = Z + N); avendo lo stesso numero atomico, occupano la medesima posizione nella tavola periodica degli elementi di Mendeleev da cui la denominazione di isotopi dal greco “ἴσος” ‘stesso, medesimo’ e “τόπος”, ‘luogo, spazio’.
Uno dei primi spettrometri di massa fu sviluppato intorno al 1920 dal fisico statunitense Arthur Jeffrey Dempster, scopritore dell’isotopo dell’uranio, noto come uranio 235. La macchina funziona sostanzialmente in questo modo: una sorgente di cationi (particelle cariche positivamente o ioni positivi) immette un fascio collimato di particelle in una regione in cui agisce un campo magnetico perpendicolare al piano individuato dalla traiettoria degli ioni (in realtà, il procedimento che sarà descritto vale anche per le cariche negative, ma si scelgono quelle positive per semplicità e convenzione). Prima di entrarvi gli ioni passano attraverso due fessure tra le quali è applicata una certa differenza di potenziale V.
Quando gli ioni entrano nella regione di cui sopra iniziano a muoversi non più secondo una traiettoria rettilinea, bensì lungo una traiettoria circolare; in altre parole, si muovono di moto circolare uniforme Gli ioni descrivono fondamentalmente una semicirconferenza, escono dalla regione ove è presente il campo magnetico e la loro posizione viene determinata da un rivelatore di posizione posto all’uscita dalla suddetta regione. Il raggio di curvatura, ossia il raggio di tale moto, si ottiene considerando che una particella posta in un campo magnetico risente di una forza, detta forza di Lorentz, che è quella che fa muovere gli ioni, dunque deve necessariamente essere uguale alla forza centrifuga.
Il raggio dipende dalla massa (più specificamente, il raggio è direttamente proporzionale alla radice quadrata della massa), dunque, avendo gli ioni la stessa energia cinetica (ioni isoenergetici) e la stessa carica, si può enunciare che “a masse diverse corrispondono raggi diversi”. Sulla scia di questo principio, misurando i raggi di curvatura si determinano univocamente i rapporti m/q di ciascun isotopo.
Michelangelo Grimaldi
