Spettrometro di massa e selettore di velocità
Lavoro svolto da Khariche Yassir e Ravasio Allegra
5DLSA, a.s. 2023/2024
Spettrometro di massa
INDICE
1. Spettrometro di massa
2. Selettore di velocità
3. Moto di una carica
- Moto in un campo elettrico
- A che cosa serve?
- Invenzione
- Realizziamo un S.d.V.
- Che cos'è?
- Moto in un campo magnetico
- Cosa avviene?
- Come funziona?
- Come si comporta il protone?
- Quindi...
-Equilibrio tra...
- Quindi...
Perchè è stato inventato? e da chi?
Operando con gas chimicamente puri, alcuni scienziati avevano ottenuto valori diversi per la carica specifica di alcuni ioni, che corrispondevano stessa carica ma a massa diversa: gli ISOTOPI
Il primo spettrometro fu costruito dal fisico inglese Francis W. Aston nel 1919.
che cos'è?
Strumento che serve a separare i diversi isotopi di uno stesso elemento chimico e a misurare la loro massa.
Ci permette di distinguere gli isotopi grazie agli effetti della forza elettrica e della forza di Lorentz che agiscono sulle particelle cariche.
esempio di isotopi:
come funziona?
Funziona immergendo gli isotopi in un campo magnetico uniforme
e determinando la loro velocità e il raggio della loro orbita circolare.
Lo spettrometro si basa sul fatto che atomi di masse diverse, lanciati in un campo magnetico B, curvano in modo diverso: infatti quelli più pesanti percorrono circonferenze più larghe, secondo la formula r=mv/qB.da cui possiamo trovare la massa: m=(qrB)/v
Vediamo come arrivare a questa formula
COME FUNZIONA?
Le particelle vengono spinte verso il selettore di velocità, in cui sono presenti un campo elettrico uniforme, e un campo magnetico,
Ogni particella, risentirà di una forza complessiva , somma tra Fe=qE e Fl=qvB
COME FUNZIONA?
qE=qvB
Regolando i valori di E e B, è possibile ottenere un fascio di particelle aventi tutte la stessa velocità: v= E/B
COME FUNZIONA?
le particelle sono sottoposte a un altro campo magnetico uniforme
agisce solo la forza di Lorentz , F=qvXB’
|qvB’|=mv^2 \rcon la formula inversa, il raggio di curvatura della traiettoria è r=(mv)/qB’, m=(qB’r)/v
esempio
Selettore di velocità
A CHE COSA SERVE?
A combinare gli effetti di un campo elettrico e di un campo magnetico per fare in modo che, dato un certo numero di cariche elettriche in ingresso con valori di velocità diversi, si possano avere in uscita cariche elettriche con un determinato valore di velocità.
selettore di velocità
Consideriamo un condensatore a facce piane e parallele con un'armatura positiva e una negativa. Sul lato destro del condensatore poniamo uno schermo con un piccolo foro, attraverso il quale le particelle sono libere di passare. Ora, dal lato sinistro, introduciamo nel dispositivo un protone a un'altezza pari a quella del foro a destra.
cOSA AVVIENE?
Quando il protone attraversa lo spazio tra le armature del condensatore accadono due cose:
come si comporta il protone?
v = E/B
v > E/B
v < E/B
attraversa il selettore in linea retta raggiungendo il foro
devia verso l'armatura negativa
devia verso l'armatura positiva
quindi...
Se si lanciano nel selettore molti protoni, ognuno con il proprio valore di velocità, possiamo essere certi che quelli che usciranno dal foro saranno solo quelli con valore di velocità dato dal rapporto tra i due campi.
moto di una carica in un campo elettro-magnetico
Il comportamento di una carica in un campo elettromagnetico dipende dal tipo di carica (positiva o negativa) e dalla natura del campo, che può essere elettrico o magnetico. Vediamo come si comporta una carica in ciascuno di essi:
cos'è un campo elettrico?
Se in una certa regione dello spazio è presente una distribuzione di carica elettrica, questa dà origine a un campo elettrico E che è in generale variabile da punto a punto in intensità, direzione e verso.
il moto di una carica in un campo elettrico
Ma come si comporta una carica in un campo elettrico uniforme?
1) Se la carica è inizialmente ferma, si muove di moto uniformemente accelerato parallelamente alle linee di campo;
2) se la carica entra nel campo perpendicolarmente alle linee di forza, si muove descrivendo un moto parabolico.
il moto di una carica in un campo elettrico
Su una carica puntiforme (q), in moto o in quiete in un campo elettrico agisce una forza.
Diretta seconda la direzione del campo e di verso uguale se la carica è positiva, opposto se è negativa.
Per il secondo principio della dinamica, la particella (dotata di massa) ha accelerazione.
cos'è un campo Magnetico?
Un campo magnetico è una regione dello spazio in cui una forza magnetica può agire su oggetti magnetici o cariche elettriche in movimento. Il campo magnetico è rappresentato da linee del campo magnetico che si estendono da un polo (nord) magnetico all'altro(sud).
il moto di una carica in un campo magnetico
Su una particella carica in moto in un campo magnetico agisce una forza, la forza di Lorentz. Che è perpendicolare alla velocità della carica e alla direzione del campo magnetico.
Forza di Lorenz:
il moto di una carica in un campo magnetico
La traiettoria della particella in moto all'interno del campo magnetico dipende
dall'angolo tra la velocità iniziale della particella e la direzione del campo magnetico a seconda di ciò possiamo distinguere tre casi:
1°caso: moto rettilineo uniforme 2°caso: moto circolare uniforme 3°caso: moto elicoidale
1° caso: moto rettilineo uniforme
la particella si muove parallelamente alla direzione del campo, la forza agente su di essa è nulla. Questro perchè a = 0° e quindi F= qvB sena = 0. La particella quindi si muove di moto rettilineo uniforme.
2° caso: moto circolare uniforme
Se la direzione del campo magnetico e la velocità della carica sono perpendicolari, la carica si muove di moto circolare uniforme; infatti agisce solo la forza di Lorentz, che è una forza centripeta.
3° caso: moto elicoidale
Quando la velocità della particella carica forma un angolo α con la direzione
del campo, sull'asse delle Y la carica si muove con M.C.U. mentre sull'asse X si muove con M.R.U. La composizione dei due moti produce un moto elicoidale, cioè a elica o a spirale.
Equilibrio tra campo magnetico e campo elettico
Se E e B sono entrambi perpendicolari al moto della carica.
Le loro forze hanno stessa direzione ma verso opposto e modulo uguale, quindi si ha che: qE=qvB Allora una particella dotata di velocità v , attraversa la regione dove sono presenti i due campi senza subire alcuna deflessione.
sitografia
https://www.youtube.com/watch?v=qZSnrs52QO8&t=80s
https://it.wikipedia.org/wiki/Spettrometro_di_massa
https://www.youtube.com/watch?v=BJIf3Hlj4J0&t=33s
https://www.youtube.com/watch?v=CBj48xOmRY0&t=435s
GRAZIE DELL'ATTENZIONE
spettrometro di massa e selettore di velocita
Allegra Ravasio
Created on December 8, 2023
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Spettrometro di massa e selettore di velocità
Lavoro svolto da Khariche Yassir e Ravasio Allegra
5DLSA, a.s. 2023/2024
Spettrometro di massa
INDICE
1. Spettrometro di massa
2. Selettore di velocità
3. Moto di una carica
- Moto in un campo elettrico
- A che cosa serve?
- Invenzione
- Realizziamo un S.d.V.
- Che cos'è?
- Moto in un campo magnetico
- Cosa avviene?
- Come funziona?
- Come si comporta il protone?
- Quindi...
-Equilibrio tra...
- Quindi...
Perchè è stato inventato? e da chi?
Operando con gas chimicamente puri, alcuni scienziati avevano ottenuto valori diversi per la carica specifica di alcuni ioni, che corrispondevano stessa carica ma a massa diversa: gli ISOTOPI
Il primo spettrometro fu costruito dal fisico inglese Francis W. Aston nel 1919.
che cos'è?
Strumento che serve a separare i diversi isotopi di uno stesso elemento chimico e a misurare la loro massa.
Ci permette di distinguere gli isotopi grazie agli effetti della forza elettrica e della forza di Lorentz che agiscono sulle particelle cariche.
esempio di isotopi:
come funziona?
Funziona immergendo gli isotopi in un campo magnetico uniforme
e determinando la loro velocità e il raggio della loro orbita circolare.
Lo spettrometro si basa sul fatto che atomi di masse diverse, lanciati in un campo magnetico B, curvano in modo diverso: infatti quelli più pesanti percorrono circonferenze più larghe, secondo la formula r=mv/qB.da cui possiamo trovare la massa: m=(qrB)/v
Vediamo come arrivare a questa formula
COME FUNZIONA?
Le particelle vengono spinte verso il selettore di velocità, in cui sono presenti un campo elettrico uniforme, e un campo magnetico,
Ogni particella, risentirà di una forza complessiva , somma tra Fe=qE e Fl=qvB
COME FUNZIONA?
qE=qvB
Regolando i valori di E e B, è possibile ottenere un fascio di particelle aventi tutte la stessa velocità: v= E/B
COME FUNZIONA?
le particelle sono sottoposte a un altro campo magnetico uniforme
agisce solo la forza di Lorentz , F=qvXB’
|qvB’|=mv^2 \rcon la formula inversa, il raggio di curvatura della traiettoria è r=(mv)/qB’, m=(qB’r)/v
esempio
Selettore di velocità
A CHE COSA SERVE?
A combinare gli effetti di un campo elettrico e di un campo magnetico per fare in modo che, dato un certo numero di cariche elettriche in ingresso con valori di velocità diversi, si possano avere in uscita cariche elettriche con un determinato valore di velocità.
selettore di velocità
Consideriamo un condensatore a facce piane e parallele con un'armatura positiva e una negativa. Sul lato destro del condensatore poniamo uno schermo con un piccolo foro, attraverso il quale le particelle sono libere di passare. Ora, dal lato sinistro, introduciamo nel dispositivo un protone a un'altezza pari a quella del foro a destra.
cOSA AVVIENE?
Quando il protone attraversa lo spazio tra le armature del condensatore accadono due cose:
come si comporta il protone?
v = E/B
v > E/B
v < E/B
attraversa il selettore in linea retta raggiungendo il foro
devia verso l'armatura negativa
devia verso l'armatura positiva
quindi...
Se si lanciano nel selettore molti protoni, ognuno con il proprio valore di velocità, possiamo essere certi che quelli che usciranno dal foro saranno solo quelli con valore di velocità dato dal rapporto tra i due campi.
moto di una carica in un campo elettro-magnetico
Il comportamento di una carica in un campo elettromagnetico dipende dal tipo di carica (positiva o negativa) e dalla natura del campo, che può essere elettrico o magnetico. Vediamo come si comporta una carica in ciascuno di essi:
cos'è un campo elettrico?
Se in una certa regione dello spazio è presente una distribuzione di carica elettrica, questa dà origine a un campo elettrico E che è in generale variabile da punto a punto in intensità, direzione e verso.
il moto di una carica in un campo elettrico
Ma come si comporta una carica in un campo elettrico uniforme? 1) Se la carica è inizialmente ferma, si muove di moto uniformemente accelerato parallelamente alle linee di campo; 2) se la carica entra nel campo perpendicolarmente alle linee di forza, si muove descrivendo un moto parabolico.
il moto di una carica in un campo elettrico
Su una carica puntiforme (q), in moto o in quiete in un campo elettrico agisce una forza. Diretta seconda la direzione del campo e di verso uguale se la carica è positiva, opposto se è negativa. Per il secondo principio della dinamica, la particella (dotata di massa) ha accelerazione.
cos'è un campo Magnetico?
Un campo magnetico è una regione dello spazio in cui una forza magnetica può agire su oggetti magnetici o cariche elettriche in movimento. Il campo magnetico è rappresentato da linee del campo magnetico che si estendono da un polo (nord) magnetico all'altro(sud).
il moto di una carica in un campo magnetico
Su una particella carica in moto in un campo magnetico agisce una forza, la forza di Lorentz. Che è perpendicolare alla velocità della carica e alla direzione del campo magnetico.
Forza di Lorenz:
il moto di una carica in un campo magnetico
La traiettoria della particella in moto all'interno del campo magnetico dipende dall'angolo tra la velocità iniziale della particella e la direzione del campo magnetico a seconda di ciò possiamo distinguere tre casi:
1°caso: moto rettilineo uniforme 2°caso: moto circolare uniforme 3°caso: moto elicoidale
1° caso: moto rettilineo uniforme
la particella si muove parallelamente alla direzione del campo, la forza agente su di essa è nulla. Questro perchè a = 0° e quindi F= qvB sena = 0. La particella quindi si muove di moto rettilineo uniforme.
2° caso: moto circolare uniforme
Se la direzione del campo magnetico e la velocità della carica sono perpendicolari, la carica si muove di moto circolare uniforme; infatti agisce solo la forza di Lorentz, che è una forza centripeta.
3° caso: moto elicoidale
Quando la velocità della particella carica forma un angolo α con la direzione del campo, sull'asse delle Y la carica si muove con M.C.U. mentre sull'asse X si muove con M.R.U. La composizione dei due moti produce un moto elicoidale, cioè a elica o a spirale.
Equilibrio tra campo magnetico e campo elettico
Se E e B sono entrambi perpendicolari al moto della carica. Le loro forze hanno stessa direzione ma verso opposto e modulo uguale, quindi si ha che: qE=qvB Allora una particella dotata di velocità v , attraversa la regione dove sono presenti i due campi senza subire alcuna deflessione.
sitografia
https://www.youtube.com/watch?v=qZSnrs52QO8&t=80s
https://it.wikipedia.org/wiki/Spettrometro_di_massa
https://www.youtube.com/watch?v=BJIf3Hlj4J0&t=33s
https://www.youtube.com/watch?v=CBj48xOmRY0&t=435s
GRAZIE DELL'ATTENZIONE