Storia

Le fondamenta della spettroscopia di massa furono poste nel 1898, quando Wilhelm Wien, un fisico tedesco, scoprì che fasci di particelle cariche potevano essere deviati da un campo magnetico. In esperimenti più raffinati condotti tra il 1907 e il 1913, il fisico britannico J. J. Thomson, che aveva già scoperto l’elettrone e osservato la sua deflessione da un campo elettrico, passò un fascio di ioni caricati positivamente attraverso un campo elettrostatico e magnetico combinato., I due campi nel tubo di Thomson erano situati in modo che gli ioni fossero deviati attraverso piccoli angoli in due direzioni perpendicolari. Il risultato netto è stato che gli ioni hanno prodotto una serie di curve paraboliche su una lastra fotografica posta nei loro percorsi. Ogni parabola corrispondeva a ioni di un particolare rapporto massa-carica con la posizione specifica di ciascun ion dipendente dalla sua velocità; le lunghezze delle curve paraboliche fornivano una misura dell’intervallo di energie ioniche contenute nel raggio., Più tardi, nel tentativo di stimare le abbondanze relative delle varie specie ioniche presenti, Thomson sostituì la lastra fotografica con una lamiera in cui fu tagliata una fessura parabolica. Variando il campo magnetico, è stato in grado di scansionare attraverso uno spettro di massa e misurare una corrente corrispondente a ciascuna specie ionica separata. Così egli può essere accreditato con la costruzione del primo spettrografo di massa e il primo spettrometro di massa.

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L’osservazione più degna di nota fatta con la spettrografia a parabola è stata lo spettro di gas rari presenti nell’atmosfera. Oltre alle linee dovute all’elio (massa 4), al neon (massa 20) e all’argon (massa 40), c’era una linea corrispondente a uno ion di massa 22 che non poteva essere attribuito a nessun gas noto. L’esistenza di forme dello stesso elemento con masse diverse era stata sospettata poiché era stato scoperto che molte coppie di materiali radioattivi non potevano essere separate con mezzi chimici., Il nome isotopo (dal greco per “stesso luogo”) fu suggerito dal chimico britannico Frederick Soddy nel 1913 per queste diverse forme radioattive della stessa specie chimica, perché potevano essere classificate nello stesso luogo nella tavola periodica degli elementi. Lo ion di massa 22 era, infatti, un isotopo pesante stabile di neon.

Spettroscopi di messa a fuoco

Gli spettroscopi discussi finora sono analoghi alla camera stenopeica in ottica, perché non è coinvolta la messa a fuoco dei fasci ionici., L’introduzione dei tipi di messa a fuoco degli spettroscopi di massa avvenne negli anni 1918-19 e fu dovuta al chimico e fisico britannico Francis W. Aston e al fisico americano Arthur J. Dempster.

Nella versione di Aston, i campi elettrici e magnetici successivi sono stati disposti in modo tale che tutti gli ioni perfettamente collimati di una massa sono stati portati a una messa a fuoco indipendente dalla loro velocità, dando così origine a ciò che è noto come focalizzazione della velocità., Il design di Aston fu la base dei suoi strumenti successivi con i quali misurò sistematicamente e accuratamente le masse degli isotopi di molti degli elementi. Ha scelto 16O (l’isotopo dell’ossigeno di massa 16) come suo standard di massa.

Lo spettrometro di Dempster utilizzava solo un campo magnetico, che deviava il fascio ionico attraverso un arco di 180°. Nella macchina di Dempster, un fascio ionico omogeneo in massa ed energia ma divergente da una fessura potrebbe essere portato a un fuoco di direzione., Questo spettrometro è stato impiegato da Dempster per effettuare determinazioni accurate delle abbondanze degli isotopi di magnesio, litio, potassio, calcio e zinco, ponendo le basi per misurazioni simili degli isotopi di tutti gli elementi.

Il potere risolutivo, o risoluzione, di uno spettroscopio di massa è una misura della sua capacità di separare le masse adiacenti che vengono visualizzate come picchi sul rivelatore. Se due picchi dovuti alla massa m e (m + Δm) possono essere separati, il potere risolutivo è m/Δm. Le prime macchine avevano poteri risolutivi di poche centinaia., Nel 1935 e nel 1936, Dempster, Kenneth T. Bainbridge, entrambi che lavoravano negli Stati Uniti, e Josef Mattauch, in Germania, svilupparono strumenti indipendenti con campi elettrici e magnetici disposti in tandem in modo tale che i fasci di ioni che emergevano dalle fessure della sorgente in direzioni divergenti e con velocità diverse furono riorientati. Tale messa a fuoco è definita doppia messa a fuoco. Fu così possibile ottenere un potere risolutivo di circa 60.000.