À propos du spectromètre de masse

Danielle Briot

Université de Clermont-Ferrand

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

12/12/2002

Résumé

Mode de fonctionnement du spectromètre de masse, méthodes chimiques pour effectuer les mesures.


Question

« En radiochronologie, les mesures d'isotopes radioactifs s'effectuent dans un certain nombre de cas par spectrométrie de masse. Les données numériques des manuels scolaires fournissent un large éventail d'unités utilisées pour exprimer les résultats de ces dosages : moles par gramme, milligrammes, atomes par gramme... Par ailleurs, j'ai lu qu'un spectromètre ne peut mesurer qu'un rapport de l'abondance de deux isotopes. Quel type de résultat est fourni par un spectromètre de masse ? Grandeur absolue ? Rapport ? Quelle unité ? »

Réponse

Résumé. Un spectromètre de masse ne peut mesurer que des rapports d'abondance des isotopes d'un même élément chimique, c'est-à-dire des rapports de nombre d'atomes, donc des grandeurs sans unité. L'important lorsque vous utilisez les valeurs ou rapports isotopiques dans les tracés d'isochrones, c'est de s'assurer de l'homogénéité des unités dans les équations, de part et d'autre du signe égal.

Importante remarque préliminaire  : on mesure toujours de façon très précise la masse d'échantillon de roche ou de minéraux que l'on va analyser.

Un spectromètre de masse ne peut mesurer que des rapports d'abondance des isotopes d'un même élément chimique , (il est donc nécessaire de faire des séparations chimiques avant d'effectuer les mesures), c'est-à-dire des rapports de nombre d'atomes, donc des grandeurs sans unité .

Les valeurs (rapports isotopiques) utilisés par les géochronologistes dans les tracés d'isochrones sont les résultats de plusieurs cycles de mesures répétitives (plus d'une centaine) dont on calcule la moyenne, l'écart-type et l'erreur pour un intervalle de confiance de 95%. C'est l'ordinateur qui contrôle l'appareil qui s'en charge. L'analyse d'un échantillon dure en général de 2 à 4 heures.

Exemple de la méthode potassium - argon

Pour la méthode K-Ar, deux types d'analyse, sous vide poussé, sont nécessaires :

  • l'un pour doser le potassium (K est un élément majeur de la plupart des roches et minéraux terrestres) avec la plus grande précision possible ;
  • l'autre pour doser le gaz 40Ar produit de la désintégration du 40K et que l'on doit différencier de l'argon contenu dans l'atmosphère.

Le potassium est généralement mesuré par voie humide (K2O converti en K par exemple) et les résultats sont donnés en g/g ou mg/g ou mg/g.


Le rapport 40K/Ktotal étant fixe dans la nature (abondance du 40K = 0,01167%), on en déduit la teneur en 40K en mg/g (ou mg/g) que l'on peut convertir en mmole/g connaissant la masse molaire du 40K (40K=39,964) puis en atome/g (connaissant le nombre d'atomes qu'il y a dans une mole).

Pour l'argon, on utilise une technique particulière qui permet de déterminer une concentration à partir d'une mesure par spectrométrie de masse : c'est ce que l'on appelle la dilution isotopique (ce n'est que par cet méthode que l'on peut obtenir une concentration par spectrométrie de masse). Elle consiste à ajouter à l'échantillon avant analyse, après la fusion de la roche, une quantité parfaitement connue d'un traceur de composition isotopique parfaitement connue, en l'occurrence de 38Ar pur à 99,99%.

La mesure des rapports 40Ar/36Ar et 38Ar/36Ar du mélange "échantillon + traceur" permet alors de déduire par calcul la quantité de 40Ar de l'échantillon. Une correction de la contribution atmosphérique est de plus nécessaire. Cette correction tient compte du fait que l'atmosphère a un rapport 40Ar/36Ar actuel de 295,5. Tout 40Ar contribuant à un rapport plus élevé est considéré comme radiogénique et c'est celui-là qui nous intéresse. Finalement les résultats sont donnés soit en cm3 de 40Ar/g d'échantillon (une mole de gaz occupe un volume de 22,4 dm3) soit en mole de 40Ar/g d'échantillon ou en nanogramme/g connaissant la masse molaire de 40Ar = 39,9624.

Au final, qu'importe le flacon pourvu qu'on ait l'homogénéité des unités dans les équations de part et d'autre du signe égal.

Pour le 14C, on mesure l'activité radioactive du 14C, notée (14C) en désintégrations par minute (dpm).