質量分析計は単一原子の秤です。各原子から電子を取り除いてイオンを作り、すべてのイオンが同じエネルギーを持つように既知の電圧で加速し、磁場で曲げます。移動する電荷へのローレンツ力は常に運動方向と垂直に働くため、各イオンを円弧に乗せます — 重いイオンは曲げにくいため、より広い弧を描きます。1つの元素が磁石に入ると、同位体ごとに1本ずつの光線の束が出てきます。
この展示はその物理学を正確に実行します。各イオンは同じ運動エネルギーqV = ½mv²を得るため、軽いものは加速器を速く出ます；磁場内では各イオンがr = mv/(qB) = √(2mV/q)/Bの半径の円を描き、検出器上の着地点は√(m/q)に比例します。ネオンを選択すると有名な²⁰Ne / ²²Ne二重線がプレート上で分離します — フランシス・アストンが1919年に1つの元素が同位体の混合物になり得ることを証明した測定そのもので、この業績でノーベル賞を受賞しました。キセノンに切り替えると9ピークの森が表示され、フィールドを上げるとスペクトルが内側に引き込まれ、線源エネルギー広がりを開くと線がぼけます — 実際の分解能制限と同様に。
2つの検出器が接続されています：アストンが行ったようにすべての質量を一度に記録する写真プレートと、フィールドがスイープされる間に固定半径に留まる単一ファラデーカップで、各同位体が順番に通過してすべての現代装置が印刷するピークスペクトルを描きます。加速・偏向・検出という場と力のダンスは、DigiSim の Logic Lab でゲートごとに組み立てられるのと同じものです。
仕様
- 原理
- ローレンツ力がイオンを曲げる；r = √(2mV/q) ⁄ B
- 分離
- 着地位置 ∝ √(m/q) — 同位体が扇状に分離
- 試料
- ネオン、塩素、キセノン、鉛 — 実際の同位体存在量
- シミュレーション内容
- 正確なイオン光学、リアルタイムプレート露光 + ファラデースイープ
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