질량 분석기는 단일 원자를 위한 저울입니다. 각 원자에서 전자를 떼어내 이온을 만들고, 모두 같은 에너지를 갖도록 알려진 전압으로 이온을 발사한 뒤, 자기장을 통해 구부립니다. 움직이는 전하에 작용하는 로렌츠 힘은 항상 운동 방향과 수직이어서 각 이온을 원형으로 구부립니다 — 무거운 이온일수록 구부리기 어려워 더 넓은 호를 그립니다. 한 원소가 자석에 들어가면 동위원소마다 하나씩 분리된 빔의 부채꼴이 나옵니다.
이 전시물은 그 물리학을 정확하게 구현합니다. 모든 이온이 같은 운동 에너지 qV = ½mv²를 얻으므로 가벼운 이온이 가속기를 더 빠르게 나옵니다. 자기장 내에서 각각 반지름 r = mv/(qB) = √(2mV/q)/B의 원을 따르며, 검출기 위 착지 지점은 √(m/q)에 비례합니다. 네온을 선택하면 ²⁰Ne / ²²Ne 이중 피크가 판에서 분리됩니다 — 1919년 프랜시스 애스턴이 단일 원소가 동위원소 혼합물임을 증명한 바로 그 측정이며, 이 공로로 노벨상을 받았습니다. 제논으로 바꾸면 9개 피크의 숲을 볼 수 있고, 자기장을 높이면 스펙트럼이 안쪽으로 당겨지며, 소스 에너지 퍼짐을 열면 선이 흐려지는 것을 볼 수 있습니다 — 실제 분해능 한계와 똑같습니다.
두 개의 검출기가 연결되어 있습니다: 애스턴이 했던 방식처럼 모든 질량을 한 번에 기록하는 사진판, 그리고 자기장이 스윕되는 동안 고정 반지름에 위치한 패러데이 컵 — 각 동위원소가 차례로 통과하며 모든 현대 기기가 출력하는 피크 스펙트럼을 그립니다. 가속, 편향, 검출의 동일한 힘의 춤은 DigiSim의 Logic Lab에서 게이트 단위로 연결할 수 있는 것입니다.
사양
- 원리
- 로렌츠 힘이 이온을 구부림; r = √(2mV/q) ⁄ B
- 분리
- 착지 위치 ∝ √(m/q) — 동위원소가 부채꼴로 분리
- 시료
- 네온, 염소, 제논, 납 — 실제 동위원소 존재비
- 시뮬레이션
- 정확한 이온 광학, 실시간 판 노출 + 패러데이 스윕
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