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Raios canais – espectrômetro de massa

Espectrômetro de massa, medida da razão carga/massa de íons (J. J. Thomson1 em 1913)

Raions canais são feixes de íons positivos que são produzidos pela ionização do gás em baixa pressão presente

num tubo de descargas. Estes raios foram descobertos por Goldstein2 em 1886, quando observou outro tipo de

raio que se dirigia em sentido oposto ao do catódico e passava através de pequenos furos (canais) feitos no

cátodo, por isso o nome raio canal3. Os íons positivos vinham do gás que ainda restava no tubo de descarga

(apesar da tentativa de fazer vácuo).

Ver nota de rodapé 1.

Identificação e medida da razão q/m dos íons

Para identificar os íons do gás e medir os valores da razão carga/massa (q/m), usam-se placas defletoras para

aplicar campo elétrico e bobinas magnéticas para produzir o campo magnético. Estes campos são aplicados

conjuntamente na região das placas defletoras.

Os raios canais passam por placas defletoras onde são aplicados campos elétricos e magnéticos em direções

paralelas, diferentemente do que se fez no tubo de raios catódicos, onde estes campos eram cruzados. A

Figura 2 mostra um esquema geral, onde são mostrados os desvios causados por cada campo, independente

do outro.

O arranjo mostra o feixe incidente na direção z; o campo elétrico desvia o feixe na direção y e o magnético na

direção x. As partículas que incidem com a mesma velocidade e têm a mesma razão q/m batem no mesmo

ponto da tela, nas coordenadas x e y.

1J. J. Thomson (Inglaterra, 1856-1940). “Rays of positive electricity”, Proceedings of the Royal Society A89, 1-20 (1913)

2 Eugen Goldstein (Alemanha, 1850-1930)

3 Veja o título “Tubo de raios catódicos” para complementar as informações sobres os raios e o tubo.

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Figura-2- Esquema geral do aparato para medir a

massa dos íons positivos: o feixe de íons incide na

região das placas defletoras com velocidade v na

direção z; sofre deflexão na região das placas e

imprime pontos no plano xy da tela.

O campo elétrico é paralelo ao magnético.

A força elétrica desvia o feixe na direção y, a

magnética na direção x (veja a Figura-3).

O campo elétrico ��� e o magnético ��� atuam sobre cada partícula (carga elétrica +q) com a força elétrica (���) e a

magnética (���), respectivamente:

��� � ���� ��� � �� ���

As partículas ficam sujeitas aos campos somente enquanto se movem na região entre as placas, depois elas

saem em linha reta, na direção da reta tangente ao ponto de saída.

Figura-3a-Desvio na direção y devido ao campo elétrico

Figura-3b-Desvio na direção x devido ao campo magnético

O desvio que as partículas sofrem na direção y quando saem da região das placas é � � ����� �

����, “y” é

inversamente proporcional à velocidade de incidência: quanto maior “v”, menor o desvio “y” (veja o título

“Tubo de raios catódicos”). A saída dos íons da região das placas defletoras ocorre quando eles percorrem a

distância “z = L”, onde “L” é o comprimento das placas.

Quando partículas carregadas incidem perpendicularmente num campo magnético, elas descrevem trajetória

circular de raio R na região, a força magnética é centrípeta (� � ���� , veja o título “Bobinas de Helmholtz” neste

site): quanto maior a velocidade, maior o raio da trajetória circular. Porém, devido ao arranjo das placas e a

intensidade do campo magnético, o raio da trajetória circular, neste caso, é muito grande (em relação às

dimensões das placas defletoras) e os desvios na direção x são pequenos.

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Em relação aos campos elétrico e magnético, as partículas com valores iguais da razão q/m, e com mesmas

velocidades de incidência na região das placas defletoras, atingem o mesmo ponto na tela (plano xy). Porém, se

tiverem velocidades diferentes, o conjunto dos pontos que imprimem na tela forma uma parábola, o que está

representada pela curva vermelha na Figura-2. Cada tipo de íon descreve uma parábola que pode identificá-lo.

�� � ��������� �

Em 1913, J. J. Thomson mediu o peso atômico de alguns elementos químicos com uma precisão de uma parte

em mil, os resultados concordavam com o que era aceito na época. A maioria das massas medidas estava de

acordo com a idéia de que átomos do mesmo elemento são semelhantes e têm massas iguais. Porém, os

resultados para o neônio eram surpreendentes: parecia que existiam dois tipos de neônio com massas

atômicas 20 e 22 (resultando no peso 20,20 que já era conhecido). O aparelho de Thomson foi o primeiro a

medir massas atômicas por meio de marcas impressas em chapas fotográficas de acordo com as cargas e as

massas das partículas. O espectrômetro era baseado no tubo de raios catódicos que ele usou para determinar

o elétron, mas em vez disso, Thomson observou os raios positivos que se deslocavam em sentido oposto aos

catódicos. Estes raios são constituídos principalmente por íons positivos do gás dentro do tubo. As medidas

que Thomson obteve indicavam que existiam átomos semelhantes quimicamente, mas com massas diferentes,

o que concordava com a formulação dos isótopos4. Francis Aston (veja “Espectrômetro de massa”) era

assistente de Thomson nesta época e participou de todas as medidas, mais tarde desenvolveu outros

espectrômetros mais precisos.

Figura 4- Chapas fotográficas

com as parábolas de massa que

Thomson obteve. Ver nota 1 de

rodapé.

Cada parábola corresponde a

um tipo de íon.

As parábolas dos dois neônios

(Ne-20 e Ne-22) se superpõem

formando linhas alargadas em

relação àquelas com apenas um

valor q/m, as massas pouco

diferentes são as causas desse

alargamento.

4 Veja o título “Espectrômetro de massa” neste site.