Deux isotopes d’un élément chimique ; sont deux atomes possédant le même numéro atomique Z, mais des nombres de masse A différents.
Ils ont des propriétés physiques et chimiques très voisines et des masses de leurs noyaux différents. Exemple : l’étain naturel (
50Sn
) existe sous
forme de mélange de 10 isotopes :
Pour l’oxygène il existe 3 isotopes :
.
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Sur Terre, plusieurs éléments chimiques existent sous forme de mélange d’isotopes.
Il serait donc utile, de connaitre la masse atomique
moyenne qui est la moyenne des masses isotopiques pondérées par leurs
abondances relatives (naturelles );
Yi : l’abondance isotopique, sachant que
: la masse atomique de l’isotope
.
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Application Calculer la masse atomique moyenne du Mg naturel existant sous forme de trois isotopes :
24Mg, 25Mg, 26Mg
dont les masses atomiques sont
respectivement: 23,9850 uma, 24,9858 uma et 25,9825 uma correspondant respectivement aux proportions relatives : 78,60 %, 10,11 % et 11,29 %.
La masse moyenne de l’atome Mg :
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La méthode la plus simple pour évaluer la masse d’un atome est de mesurer le rapport M/q de l’atome ionisé, q étant la charge de l’ion et M sa masse. Les appareils permettant cette mesure sont les spectromètres de masse, selon le schéma ci-dessous.
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Il existe plusieurs types de spectromètres parmi lesquels celui de Bainbridge.
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Le spectromètre de Bainbridge comprend :
1- la source d’ions ; un jet d’électrons émis par un filament chauffé ionise positivement les atomes d’un gaz. 2- le filtre de vitesse reçoit des ions animés des vitesses différentes. Les fentes f1 et f2 délimitent un faisceau ionique assez étroit. En franchissant f2 , les ions sont soumis à l’action simultanée d’un champ électrique E et d’un champ magnétique B qui sont orthogonaux entre eux .
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Si v la vitesse d’un ion et q la charge de cet ion; les forces appliquées sur
ce dernier sont : est la force électrique; est la force magnétique.
et
, représentent respectivement, le champ électrique et le champ
magnétique induit.
et
ont des direction parallèle et des sens opposés.
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L’ion franchira la fente f3 si
; soit :
Le faisceau ionique sortant du filtre est un faisceau monocinétique, autrement dit les ions sortant ont la même vitesse.
2R
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3- l’analyseur :
Au niveau de ce dernier un ion de masse M est soumis à un champ magnétique induit constant B0 perpendiculaire à sa trajectoire. L'ion décrira une trajectoire circulaire de rayon R si la force magnétique équilibre la force centrifuge (dirigée vers l’extérieur) :
2R
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4- Détecteur d’ions :
L’ion dévié impressionne une plaque photographique où il est détecté par une électrode jouant le rôle de collecteur d’ions. L’intensité du courant I, enregistrée par le détecteur, est proportionnelle à l’abondance relative des différents isotopes.
2R
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