Polytechnique Physique A PC 2026Sujet, corrigé et rapport du jury
Techniques modernes de spectrométrie de masse de molécules complexes
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PCSI : 20 questions sur 43. Autres questions faisables en PCSI
Autres premières années : MP2I 4 · TSI1 4 · BCPST1 3 questions.
Détail par partie
- Partie I : Ionisation par électronébuliseur0/112e année
- Partie II : Spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique20/32En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
Difficulté moyenneSpectrométrie de masse de molécules complexes : électronébulisation et résonance cyclotronique ioniqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet étudie deux étapes de la mesure de masse de grosses molécules. La première partie traite l'ionisation par électronébulisation : pression électrostatique, instabilité de Rayleigh d'une goutte chargée et cône de Taylor. La seconde partie décrit la spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique : mouvement d'un ion dans un champ magnétique, excitation résonante, piégeage et détection par des électrodes.
- 1Partie I : ionisation par électronébuliseurForce sur l'armature d'un condensateur plan, charge limite d'une goutte (critère de Rayleigh), potentiel au voisinage du cône de Taylor et densité de charge à la pointe.
- 2Partie II : mouvement et excitation des ionsRapport m/q, lecture d'un spectre de masse, pulsation cyclotron, résonance forcée avec frottement, champ électrique tournant et trajectoire en spirale.
- 3Partie II : piégeage des ionsPotentiel de piégeage quadratique, oscillation selon z et modification de la pulsation de résonance.
- 4Partie II : détection des ionsThéorème de réciprocité, charge induite sur les électrodes et fréquence d'échantillonnage minimale.
Difficulté moyenne. Le jury décrit une épreuve progressive et largement guidée, abordée jusqu'au bout par la majorité, mais marquée par de nombreuses erreurs de calcul et quelques questions délicates (Q9, Q22).
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesPression électrostatique : facteur 2 et sens de la force · Surface du liquide conducteur · Variation du champ avec r sur le côneAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesL'épreuve mobilisait surtout l'électrostatique, la mécanique et l'électromagnétisme dans un contexte appliqué. L'indépendance des parties a permis à la plupart des candidats d'aller jusqu'à la fin. Le jury relève de nombreuses erreurs de rigueur élémentaire : égalités entre scalaires et vecteurs, polynômes du second degré, développements limités et homogénéité.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Pression électrostatique : facteur 2 et sens de la forceQ1 à Q3
Redémontrer le champ sans que ce soit demandé a souvent introduit des erreurs de facteur 2. Le champ subi par une plaque a été mal raisonné.
« L'orientation de la force électrostatique (attraction entre les armatures du condensateur) a souvent été occultée ou mal traitée »
- 2Surface du liquide conducteurQ6, Q10
Le potentiel est uniforme à la surface du liquide conducteur, qui se traite comme un métal. Cet argument a été peu donné.
- 3Variation du champ avec r sur le côneQ7, Q8
Peu de copies trouvent un champ proportionnel à r^(−1/2), et donc la bonne valeur de δ.
« Des résultats conduisant à un champ électrique croissant avec le rayon r ne semblent pas surprendre les candidats. »
- 4Solutions intégrées réutilisées à tortQ16, Q17
L'énoncé demandait seulement l'équation du mouvement. Réinjecter la solution intégrée alors que de nouveaux termes apparaissaient ensuite a faussé les raisonnements.
« beaucoup ont ensuite réinjecté les expressions ainsi obtenues pour dZ/dt »
- 5Champ oscillant et composante résonanteQ22, Q24
Il fallait décomposer le champ oscillant en deux champs tournants. La composante utile, en qE/2, a souvent été manquée.
- 6Potentiel créé par des charges ponctuellesQ37, Q38
Question proche du cours pourtant mal traitée : potentiel vectoriel, distances mesurées depuis une origine fixe, lois autres qu'en 1/r.
Ce qui a été bien réussi
- Le champ créé par la goutte chargée (Q4) est généralement bien établi.
- Le dispositif créant un champ magnétique uniforme (Q14), souvent des bobines de Helmholtz, est bien traité.
- Les équations du mouvement de l'ion (Q15 à Q18) sont bien traitées.
- Les graphes de trajectoire et les rôles des champs E et B (Q26) sont souvent corrects.
Conseils du jury
- Ne pas redémontrer ce que l'énoncé ne demande pas et suivre le guidage du sujet.
- Vérifier l'homogénéité, par exemple de l'amplitude Z0(ω).
- Ne jamais écrire d'égalité entre un scalaire et un vecteur, ni diviser par un vecteur.
- Soigner la résolution des équations du second degré et les développements limités.
- Choisir des valeurs numériques plausibles avant d'appliquer le théorème de Shannon.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
43 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
43 questions43 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Rappeler la relation entre la densité de charges par unité de surface sur une des armatures, notée, et le…
- Q2Rappeler l'expression de la densité volumique d'énergie électrostatique en fonction de.
- Q3En déduire la force par unité de surface, qu'on notera, exercée sur une des armatures du condensateur, et…
- Q4Déterminer le champ électrique à l'extérieur de la goutte, et en déduire l'expression de.
- Q5On admet qu'en tout point de la surface s'exerce en outre une force de cohésion provenant des interactions…
- Q6On suppose le débit suffisamment faible pour qu'on puisse négliger les courants, et on se place dans…
- Q7On admet qu'en tout point de la surface du cône s'exerce une force de tension superficielle dirigée vers…
- Q8On cherche une solution de l'équation déterminant le potentiel électrostatique de la forme, où et sont des…
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- Q9Expliquer pourquoi l'équation obtenue à la question 6 se ramène à une équation différentielle du second…
- Q10Quelle est la valeur de compatible avec la condition obtenue à la question 6 ? La résolution numérique de…
- Q11Comment la densité de charge sur la surface du cône varie-t-elle avec ? Pourquoi est-il plausible que le jet…
- Q12Pour mesurer la masse d'un ion, plusieurs techniques consistent à mesurer son mouvement dans un champ…
- Q13Rappeler pourquoi la charge de l'ion est de la forme, où est la charge élémentaire et un entier positif. La…
- Q14Les ions produits sont envoyés dans une cellule d'analyse où règne un champ magnétique uniforme et constant…
- Q15Écrire l'équation du mouvement de l'ion sous l'action de ce champ magnétique, en coordonnées cartésiennes.
- Q16On introduit la coordonnée complexe. Écrire l'équation du mouvement de, et chercher une solution…
- Q17Au moyen d'un champ électrique, on applique sur l'ion une force d'excitation dépendant du temps et…
- Q18On suppose que l'ion de vitesse subit, outre la force magnétique et la force d'excitation, une force de…
- Q19Écrire l'équation du mouvement de sous l'action combinée des trois forces. Chercher une solution en régime…
- Q20Montrer que si la force de frottement est suffisamment faible, l'amplitude présente une résonance à la…
- Q21La mesure du rapport est déduite de celle de la pulsation de résonance. Pourquoi est-il important, pour…
- Q22En pratique, on utilise un champ électrique uniforme dirigé suivant l'axe, d'amplitude. Montrer que la force…
- Q23Décrire un dispositif expérimental simple permettant de créer un tel champ électrique.
- Q24On se place exactement à la résonance,. On néglige la force de frottement, et on ne prend en compte, des…
- Q25Chercher une solution de la forme, où est une constante qu'on exprimera en fonction de et.
- Q26Dessiner la trajectoire parcourue par l'ion dans le plan. On pourra auparavant écrire son équation en…
- Q27On verra plus bas que la détection des ions à la résonance est d'autant plus facile que l'amplitude du…
- Q28Nous avons décrit un dispositif dans lequel le champ électrique et le champ magnétique sont tous deux…
- Q29Les ions entrant dans la cellule d'analyse ont un mouvement d'origine thermique, avant d'être accélérés par…
- Q30En déduire l'ordre de grandeur du rayon de la trajectoire dans le plan perpendiculaire au champ magnétique…
- Q31Expliquer brièvement pourquoi, avec le dispositif décrit ci-dessus, les ions peuvent s'échapper dans la…
- Q32Grâce à des électrodes, on crée, en plus des champs déjà mentionnés, un potentiel électrostatique de la…
- Q33Montrer que l'ion oscille dans la direction autour de l'origine à une pulsation qu'on exprimera en fonction…
- Q34Établir comment l'équation du mouvement de obtenue à la question 16 est modifiée en présence du potentiel.
- Q35Chercher des solutions particulières de la forme avec non nul. On suppose le champ de piégeage suffisamment…
- Q36Montrer que le champ de piégeage conduit à une petite modification de la pulsation de résonance et qu'il…
- Q37Soit un système de charges ponctuelles situées en des positions, avec. Ecrire l'expression du potentiel…
- Q38On considère maintenant charges de valeurs différentes, mais situées aux mêmes positions. On note le…
- Q39Pour cela, nous considérons une répartition de charges différentes, dans laquelle il n'y a pas de charge en…
- Q40Par application du théorème de réciprocité, en déduire la différence de charge en fonction de et. Expliquer…
- Q41Pour quelle raison pratique les électrodes de détection sont-elles disposées perpendiculairement à l'axe…
- Q42En pratique, le champ électrique d'excitation n'oscille pas à une pulsation unique, mais couvre tout un…
- Q43Quel est, du point de vue de la détection, un avantage supplémentaire, par rapport à celui déjà souligné à…
Description
Le sujet étudie deux étapes de la mesure de masse de grosses molécules. La première partie traite l'ionisation par électronébulisation : pression électrostatique, instabilité de Rayleigh d'une goutte chargée et cône de Taylor. La seconde partie décrit la spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique : mouvement d'un ion dans un champ magnétique, excitation résonante, piégeage et détection par des électrodes.
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ESPCI
08h00-12h00
FILIERE PC - Epreuve n° 3
L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve
Techniques modernes de spectrométrie de masse de molécules complexes
La majorité des questions peuvent être traitées de façon concise.
I - Ionisation par électronébuliseur

Condensateur plan
- Rappeler la relation entre la densité de charges par unité de surface sur une des armatures, notée
σ , et le champ électriqueE entre les armatures. - Rappeler l'expression de la densité volumique d'énergie électrostatique en fonction de
E . - En déduire la force par unité de surface, qu'on notera
P , exercée sur une des armatures du condensateur, et préciser son sens. On exprimeraP en fonction deE , puis en fonction deσ .
Goutte chargée sphérique ; critère de stabilité de Rayleigh
4. Déterminer le champ électrique à l'extérieur de la goutte, et en déduire l'expression de
5. On admet qu'en tout point de la surface s'exerce en outre une force de cohésion provenant des interactions entre les molécules de la goutte, dite force de tension superficielle. Elle est dirigée vers l'intérieur et vaut par unité de surface
Cône de Taylor
6. On suppose le débit suffisamment faible pour qu'on puisse négliger les courants, et on se place dans l'approximation de l'électrostatique. Quelle équation le potentiel électrostatique
7. On admet qu'en tout point de la surface du cône s'exerce une force de tension superficielle dirigée vers l'intérieur et proportionnelle à
8. On cherche une solution de l'équation déterminant le potentiel électrostatique de la forme
9. Expliquer pourquoi l'équation obtenue à la question 6 se ramène à une équation différentielle du second ordre pour
10. Quelle est la valeur de
11. Comment la densité de charge sur la surface du cône varie-t-elle avec
II - Spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique
- Pour mesurer la masse d'un ion, plusieurs techniques consistent à mesurer son mouvement dans un champ électromagnétique connu. Expliquer pourquoi ce mouvement ne donne pas directement accès à
m , mais au rapportm/q , oùq est la charge électrique de l'ion.

- Rappeler pourquoi la charge de l'ion est de la forme
q = ze , oùe est la charge élémentaire etz un entier positif. La figure 2 représente la distribution dem/z dans un échantillon analysé par un spectromètre de masse. Les pics principaux correspondent à différents degrés d'ionisationz d'une même protéine. Déduire de ces données la massem de la protéine. Vous pourrez commencer par déterminer les valeurs dez correspondant aux pics situés enm/z = 1000, 15 etm/z = 1999, 30 . Évaluez l'ordre de grandeur du nombre d'atomes contenus dans la protéine.
14. Les ions produits sont envoyés dans une cellule d'analyse où règne un champ magnétique uniforme et constant
15. Écrire l'équation du mouvement de l'ion sous l'action de ce champ magnétique, en coordonnées cartésiennes
16. On introduit la coordonnée complexe
Excitation
- Au moyen d'un champ électrique, on applique sur l'ion une force d'excitation dépendant du temps et perpendiculaire au champ magnétique, dont les composantes sont
F_x(t) = Fcosωt etF_y(t) = − Fsinωt . Récrire l'équation du mouvement deZ(t) en prenant en compte ce forçage. - On suppose que l'ion de vitesse
v⃗ subit, outre la force magnétique et la force d'excitation, une force de frottement− (m/τ)v⃗ , qui modélise son interaction avec le gaz contenu dans la cellule. Quelle est la dimension deτ ? Dans quel contexte avez-vous rencontré une force de frottement analogue? - Écrire l'équation du mouvement de
Z(t) sous l'action combinée des trois forces. Chercher une solution en régime forcé, de la formeZ(t) = Z_0 exp(− iωt) , et exprimer l'amplitudeZ_0 en fonction deF, m, ω, ω_0 etτ . - Montrer que si la force de frottement est suffisamment faible, l'amplitude
Z_0(ω) présente une résonance à la pulsationω_0 . Déterminer l'ordre de grandeur de la largeurΔω de la résonance en fonction deτ . - La mesure du rapport
m/z est déduite de celle de la pulsation de résonanceω_0 . Pourquoi est-il important, pour pouvoir distinguer des molécules de masses très proches, d'avoir des valeurs dez et du champ magnétiqueB les plus grandes possibles? - En pratique, on utilise un champ électrique uniforme dirigé suivant l'axe
x , d'amplitudeE_x(t) = Ecosωt . Montrer que la force d'excitation qu'il exerce sur l'ion peut s'écrire comme la somme de deux composantes de pulsationsω et− ω , chacune des composantes ayant la forme de la question 17. En déduire, en utilisant les résultats précédents, le mouvement de l'ion en régime forcé. Laquelle des deux composantes occasionne-t-elle le phénomène de résonance? - Décrire un dispositif expérimental simple permettant de créer un tel champ électrique.
- On se place exactement à la résonance,
ω = ω_0 . On néglige la force de frottement, et on ne prend en compte, des deux composantes du champ électrique identifiées à la question 22, que celle qui crée la résonance. Écrire l'équation du mouvement deZ(t) . - Chercher une solution de la forme
Z(t) = iAtexp(− iω_0 t) , oùA est une constante qu'on exprimera en fonction deE etB . - Dessiner la trajectoire parcourue par l'ion dans le plan
(x, y) . On pourra auparavant écrire son équation en coordonnées polaires sous la former = f(θ) . Décrire les rôles respectifs des champs électrique et magnétique sur le mouvement. - On verra plus bas que la détection des ions à la résonance est d'autant plus facile que l'amplitude du mouvement est grande. Mais d'un autre côté, on veut éviter qu'ils ne sortent de la cellule d'analyse, dont la taille caractéristique
d est de quelques centimètres. Estimer un ordre de grandeur littéral de la valeur optimale du tempst_E pendant lequel il faut appliquer le champ électrique, en fonction ded, E etB . - Nous avons décrit un dispositif dans lequel le champ électrique et le champ magnétique sont tous deux uniformes. De ces deux conditions d'uniformité, laquelle vous semble la plus importante?
- Les ions entrant dans la cellule d'analyse ont un mouvement d'origine thermique, avant d'être accélérés par le champ électrique. Évaluer l'ordre de grandeur littéral de la quantité de mouvement correspondante en fonction de
m et de la températureT . - En déduire l'ordre de grandeur du rayon
r de la trajectoire dans le plan perpendiculaire au champ magnétiqueB⃗ . L'excitation par le champ électrique n'est efficace que si ce rayon initialr est beaucoup plus petit que la taille caractéristiqued de la cellule. Montrer que cette condition n'est réalisée que si la massem est beaucoup plus petite qu'une masse critiquem_(max) qu'on exprimera en fonction deq, B, d etT .
Piégeage
- Expliquer brièvement pourquoi, avec le dispositif décrit ci-dessus, les ions peuvent s'échapper dans la direction
z . - Grâce à des électrodes, on crée, en plus des champs déjà mentionnés, un potentiel électrostatique de la forme
V(x, y, z) = α/2(− x^2 − y^2 + βz^2) à l'intérieur de la cellule d'analyse, avecα > 0 . Écrire les composantes du champ électriqueE⃗ correspondant à ce potentiel, dit de "piégeage". On suppose la cellule vide de charges. Déterminer la valeur deβ .
33. Montrer que l'ion oscille dans la direction
34. Établir comment l'équation du mouvement de
35. Chercher des solutions particulières de la forme
36. Montrer que le champ de piégeage conduit à une petite modification de la pulsation de résonance et qu'il apparaît, dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, un nouveau mouvement d'oscillation beaucoup plus lent, dont la fréquence est indépendante du rapport
Détection
37. Soit un système de
38. On considère maintenant
39. Pour cela, nous considérons une répartition de charges différentes, dans laquelle il n'y a pas de charge en
40. Par application du théorème de réciprocité, en déduire la différence de charge
41. Pour quelle raison pratique les électrodes de détection sont-elles disposées perpendiculairement à l'axe
42. En pratique, le champ électrique d'excitation n'oscille pas à une pulsation unique, mais couvre tout un intervalle de fréquences, ce qui permet d'analyser simultanément une plage de valeurs de
43. Quel est, du point de vue de la détection, un avantage supplémentaire, par rapport à celui déjà souligné à la question 21, de travailler avec des ions de charge élevée, tels que ceux produits par électronébulisation?

- Une modélisation plus soigneuse, effectuée en 1879 par le physicien britannique Rayleigh (1842-1919), donne une valeur limite plus grande d'un facteur
√2 . - Ce phénomène a été modélisé en 1964 par le physicien britannique Taylor (1886-1975).
- Une modélisation plus soigneuse, effectuée en 1879 par le physicien britannique Rayleigh (1842-1919), donne une valeur limite plus grande d'un facteur
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique A X PC 2026 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique A X PC 2026 ?
Sur la spectrométrie de masse de molécules complexes : ionisation par électronébulisation (goutte chargée, cône de Taylor), puis spectrométrie à résonance cyclotronique ionique avec excitation, piégeage et détection des ions.
Quelles erreurs le jury de physique A PC X 2026 a-t-il le plus relevées ?
Des facteurs 2 et un mauvais sens de la force électrostatique, un champ croissant avec r accepté sans surprise, des solutions intégrées réutilisées à tort, la composante résonante du champ manquée et des erreurs sur le potentiel de charges ponctuelles.
Les parties du sujet de physique A X PC 2026 sont-elles indépendantes ?
Oui. Les deux parties sont indépendantes, tout comme plusieurs sous-parties, ce qui a permis à la majorité des candidats d'aborder le problème jusqu'à la fin.
Quels chapitres réviser pour la physique A PC 2026 de l'X ?
L'électrostatique et les conducteurs, le mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique, l'oscillateur forcé en notation complexe et l'échantillonnage.
Pas de description pour le moment
