Сторінка
3

Методи визначення МАС мікрочасток

Подивимось, як цим скористався Томсон для визначення маси іонів. Потрібно було одержати пучок позитивних іонів. Для цього він виготовив установку (рис. 1) на якій посудина С через відповідні отвори О1 і О2 заповнюється досліджуваним газом. До електродів А і К прикладено високу напругу ~(3-5)×104 В. Під дією напруги електрони вириваються із атомів і газ в посудині іонізується. Електрони прямують до позитивно зарядженого електрода +А, а позитивні іони - відповідно до негативного електрода -К. В негативному електроді зроблено циліндричний отвір - канал, через який пучок позитивних іонів виводиться в ліву частину установки. Попутно ці іони проходять між зарядженими електродами +U і -U та полюсами магніту, що утворюють магнітне поле (див. рис. 1).

Для виключення взаємного впливу і можливих спотворень обидві частини установки розділили магнітним екраном, що зроблений з м’якого заліза. Таким чином, пучок іонів досягає фотопластинки вже зазнавши відхилення в електричному і магнітному полях. Екран служить для візуального спостереження зміщення пучка іонів і використовується при налагоджуванні установки.

Якщо б іони мали однакові заряди, масу і швидкість, то при включенні електричного поля вони відхилялися б вниз і потрапили в точку 1 (рис. 1). Точка 0 відповідає невідхиленому пучку. При тих же умовах і включенні лише магнітного поля іони відхилились би і потрапили в точку 2. При включенні обох полів одночасно іони потрапляють в точку 3. Однак це справедливо лише при однакових

Рис. 1. Принципова схема установки Томсона для визначення маси іонів.

зарядах, масах і швидкостях іонів. Чи справджується ця умова в даній установці? Виявилось, що заряд більшості іонів рівний +1 (в одиницях елементарного заряду), а в деяких +2. При цьому розрізнити такі іони не складає великих труднощів. Що стосується швидкості, то вона зовсім не однакова для різних іонів.

Таким чином реальною умовою досліду є твердження, коли заряди і маси іонів однакові, а швидкість різна. При цьому під дією електричного і магнітного полів іони потрапляють вже не в одну і ту ж точку, а в залежності від швидкості розміщуються по відрізку параболи. Якщо в посудині С міститься не один газ, а суміш декількох, то пучок позитивних іонів складається з декількох груп іонів з різною масою. Тоді на фотопластинці одержується зображення декількох відрізків параболи. Причому кожен відрізок відповідає іонам з однією і тою ж масою.

Метод парабол вперше дозволив виміряти масу окремих іонів, а не середню масу великого їх числа.

5. Визначення мас ізотопів з допомогою мас-спектрографа

В 1919 р. Астон запропонував новий метод фокусування пучка іонів, який дозволив в значній мірі обійти недоліки методу параболи. Розроблений і побудований Астоном пристрій дістав назву мас-спектрографа.

Розглянемо схему і будову мас-спектрографа Астона (рис. 2). Пристрій складається з джерела іонів, двох вузьких паралельних щілин Щ1 і Щ2, двох паралельних пластин П1 і П2, до яких прикладена напруга, діафрагми, потужного постійного магніту, екрана і фотопластинки. Джерело іонів складається із посудини, заповненої досліджуваним газом,

Рис. 2. Принципова схема мас-спектрографа Астона.

анода, катода з щілиною Щ1 і антикатода. Між анодом і катодом прикладено високу напругу від 2×104 до 5×104 В, яка і дає іонізацію.

Іони, що створені в посудині джерела, проходячи через щілини Щ1 і Щ2, складають вузький пучок частинок. Цей пучок відхиляється в електричному полі, причому кут відхилення обернено пропорційний енергії частинки . Таким чином проходить розкладання пучка іонів по енергії. Потім цей пучок іонів потрапляє в однорідне магнітне поле, яке напрямлене так, щоб відхилити іони в зворотній бік. Магнітне поле відхиляє іони на кут, обернено пропорційний імпульсу часток mV. При проходженні іонів послідовно через електричне і магнітне поля ті з іонів, у яких питомий заряд e/m однаковий, збираються на екрані чи фотопластинці в одній і тій же точці.

Якщо в початковому пучку наявні іони різних ізотопів, то внаслідок різниці їх питомих зарядів вони фокусуються в різних місцях екрану і складають там зображення у вигляді окремих ліній. Визначення маси того чи іншого ізотопу проводиться порівнянням ліній від досліджуваного ізотопу з еталонними лініями, одержаними на тій же спектрограмі від ізотопів, маса яких відома. Відношення відстаней між ними дає змогу визначити відношення їх мас.

Вже перший мас-спектрометр Астона, побудований на цьому принципу і працюючий з 1919 по 1925 рр., дозволив виміряти атомні ваги ізотопів з похибкою менше 1%. Однак різниця атомної ваги деяких ізотопів від цілочисельних значень складає лише одиниці процентів. Тому така точність не змогла задовольнити вчених.

В 1925 р. Астон удосконалив свій мас-спектрограф і довів його роздільну здатність до 10-4, тобто 0,01%. Для цього довжина шляху іонів в пристрої була збільшена вдвоє, покращена форма відхиляючих пластин, стабілізація магнітного поля і т.д.

В подальші роки Демнестер, потім Смаліо і Маттаун, а потім Нір розробили деякі нові принципи фокусування іонів і побудувавши відповідні пристрої, досягли вищої точності вимірювання маси ізотопів. Висока чутливість пристрою Ніра дозволила виявити наявність даного ізотопу, змішаного з іншими, навіть якщо його відносний ваговий вміст складав лише 1/100000.