LE SPECTROMÈTRE DE MASSE

Lors d’une émission stimulée, un photon incident interagit avec un atome dans un état excité. Le photon incident provoque l’émission d’un second photon par cet atome. L’énergie E = h.n du photon incident doit être égale à la différence d’énergie E₂ – E₁  entre deux niveaux d’énergie de cet atome. Le photon incident et le photon émis ont même fréquence, même direction et sens de propagation et sont en phase. L’existence de la molécule de propanone sur Terre montre que la puissance lumineuse de la lumière solaire par m² est insuffisante pour la fragmenter. Il faut donc un laser dont la puissance lumineuse par m² soit supérieure à 1 kW.m-2. Le laser du spectromètre fournit une puissance lumineuse de P = 30 kW répartie sur la surface du capteur S = 500×10–6 × 600×10–6 = 3,00×10–7 m². Déterminons la puissance lumineuse par m² de ce laser : Pour que les fragments soient accélérés de la cible vers la grille, la force électrique  doit être horizontale et orientée vers la droite. Les fragments ionisés F_i⁺ ont une charge q_i = e positive, on a donc : . Ainsi le champ électrique  est colinéaire et de même sens que la force électrique .La dilatation des durées n’est pas perceptible ici. 3.2. Entre la grille et le détecteur, il n’y a plus de champ électrique : les fragments ne subissent donc plus de force électrique.

Par ailleurs, le poids de chaque fragment est négligé dans l’étude. Ainsi entre la grille et le détecteur, les fragments ne sont soumis à aucune force. Or la première loi de Newton indique : « Dans un référentiel galiléen, si un système n’est soumis à aucune force ou s’il est soumis à un ensemble de forces qui se compensent, alors le système est immobile ou en mouvement rectiligne et uniforme ». À la sortie de la grille, les fragments ont une vitesse v non nulle, donc d’après la première loi de Newton ils ont un mouvement rectiligne et uniforme. 3.3.1. Le temps de vol TOF est la durée pour qu’un fragment parcourt la distance entre la cible et le détecteur : TOF = tCG + tGD avec tCG la durée du parcours entre la cible et la grille et tGD celle entre la grille et le détecteur. Soit L la distance séparant la grille du détecteur alors, le fragment ayant un mouvement rectiligne et uniforme à la vitesse v on a : v = soit . Entre la cible et la grille la durée tCG s’obtient en appliquant la deuxième loi de Newton au fragment de masse m constante, dans le référentiel terrestre supposé galiléen : donc soit Or donc . En projetant sur un axe horizontal orienté positivement vers le détecteur et d’origine A, il vient : soit en primitivant : À t = 0, en A, le fragment ayant une vitesse nulle : vx(0) = 0 donc 0 + C1 = 0. Soit : . Comme vx = , en primitivant on obtient x(t) = + C2 En t = 0 s, le fragment est en A origine du repère x(t=0) = 0 donc C2 = 0..

Le TOF est proportionnel à avec m la masse des fragments. Les fragments de la molécule ayant des masses différentes ils sont détectés les uns après les autres. Les fragments les plus légers sont détectés avant les plus lourds. 3.3.3. Le TOF augmente lorsque la distance L augmente. Le détecteur pourra d’autant mieux discriminer les fragments que la distance L choisie est grande.L’existence de la molécule de propanone sur Terre montre que la puissance lumineuse de la lumière solaire par m² est insuffisante pour la fragmenter. Il faut donc un laser dont la puissance lumineuse par m² soit supérieure à 1 kW.m-2. Le laser du spectromètre fournit une puissance lumineuse de P = 30 kW répartie sur la surface du capteur S = 500×10–6 × 600×10–6 = 3,00×10–7 m². Déterminons la puissance lumineuse par m² de ce laser : P = 30 kW  S = 3,00×10–7 m² PS = ?  1 m² PS = = 1,0 ×108 kW.m-2 Cette puissance est très nettement supérieure à 1 kW (100 millions de fois plus). 3. Détection des fragments 3.1.1. Pour que les fragments soient accélérés de la cible vers la grille, la force électrique doit être horizontale et orientée vers la droite. Les fragments ionisés Fi+ ont une charge qi = e positive, on a donc : . Ainsi le champ électrique est colinéaire et de même sens que la force électrique .