4.7. Визначення атомних мас за допомогою мас-спектрографа

Прилад, яким користувався Дж. Дж. Томсон під час відкриття двох ізотопів Неону (підрозд. 4.4), був найпростішою формою мас-спектрографа. Сучасні мас-спектрографи широко використовують для розв'язання багатьох фізичних і хімічних проблем, зокрема для визначення мас ізотопів і співвідношень між численними ізотопами.

Принцип, на якому діє сучасний мас-спектрограф, можна зрозуміти, розглянувши схему, наведену на рис. 4.3.

У лівій частині рисунка показано камеру, в якій під дією електричного розряду утворюються позитивні іони, а потім під впливом електричного поля з певним прискоренням рухаються вправо. Іони, що проходять крізь першу щілину, мають різну швидкість; у наступній частині установки (селекторі швидкостей) виділяється пучок іонів із приблизно рівними швидкостями, тоді як іони з іншими швидкостями затримуються під час проходження крізь другу щілину. (Тут не буде описано конструкцію пристрою, що дає змогу відібрати іони, які мають певну швидкість.) Після другої щілини іони рухаються між двома металевими пластинами, з яких одна заряджена позитивно, друга — негативно. Іони дістають прискорення в напрямку негативної пластини й відхиляються від прямолінійного шляху A, яким вони рухалися б, якби пластини не були заряджені.

Сила, що діє на іон між цими пластинами, пропорційна величині +ze, яка виражає заряд іона (z— число бракуючих електронів), а інерція іона пропорційна його масі M. Величина відхилення, отже, визначається значенням ze/M— відношенням заряду іона до його маси.

З двох однаково заряджених іонів легший у цій установці відхилятиметься сильніше. Пучок C може становити потік іонів C⁺ із зарядом +e і масою 12d (атомна маса Карбону), пучок B — потік важчих іонів O⁺, що мають такий самий заряд, але масу, яка дорівнює 16.

З двох іонів з однаковою масою іон із більшим зарядом відхилятиметься сильніше. Пучки B і C можуть відповідати потокам іонів O²⁺ і O³⁺ відповідно.

Рис. 4.3. Схема найпростішого мас-спектрографа.

1 — джерело іонів; 2 — селектор швидкостей; 3 — заряджені відхиляльні пластини; 4 — фотопластинка. Деталі вакуумної камери та селектора швидкостей не показано.

Вимірюючи відхилення пучків, можна встановити відносні значення ze/M для різних іонів. Оскільки величина e стала, відносні значення ze/M для різних іонів є також оберненими величинами відносних значень M/z; отже, цей метод дає змогу дослідним шляхом безпосередньо визначати відносні маси атомів, а значить, і їхні атомні маси.

Значення цілого числа z, що виражає ступінь іонізації іонів, зазвичай можна встановити, знаючи речовини, які перебувають у розрядній трубці; так, неон дає іони з M/z = 20 і 22 (при z=1), 10 і 11 (при z=2) тощо.

Замість описаного вище мас-спектрографа зазвичай застосовують прилади іншої конструкції, в яких іони зазнають дії як електричного, так і магнітного полів. Конструкція цих приладів дає змогу фокусувати пучки іонів з однаковим значенням M/z на щілину приймача іонів, з'єднаного через підсилювач зі швидкодійним самописцем. Такий мас-спектрометр при зміні електричного або магнітного поля протягом кількох секунд дає розгортку (сканує) в широкому діапазоні значень M/z. Такого роду прилади відіграють виняткову роль у хімічному аналізі—вони дають змогу визначати маси частинок — фрагментів різних розмірів, на які попередньо розщеплюється в спеціальному пристрої (іонному джерелі) сполука, що аналізується.

Сучасні типи мас-спектрографів дають змогу досягти точності, що дорівнює приблизно одній частині на 200 000, і забезпечують роздільну здатність 20 000 (це означає, що вони дають змогу розділити пучки іонів, які розрізняються за значенням відношення M/z лише на 1/20 000). Висока точність результатів, яку забезпечують сучасні мас-спектрографи, робить нині мас-спектрографічний метод визначення атомних мас ефективнішим за хімічний.

Дані, віднесені до ¹²C або ¹⁶O, можна одержати в мас-спектрографі таким чином. Добирають таке джерело іонів, яке дає як іони Карбону (або Оксигену), так і іони досліджуваного елемента. Лінії Карбону (або Оксигену) і досліджуваного елемента можна одержати для таких станів іонізації, за яких значення відношень M/z майже однакові; так, у разі ³²S, ³³S і ³⁴S лінії для двозарядних іонізованих атомів лежатимуть поблизу лінії для іонів Оксигену, що несуть один заряд. Після цього можна провести точні вимірювання відносного розташування цих ліній.

Значення маси атома простого елемента (що має лише один ізотоп) і є його атомною масою. Так, для Ауруму, що складається з одного ізотопу ¹⁹⁷Au, маса, встановлена за допомогою мас-спектрографа, дорівнює 196,967. Це значення й було прийняте Міжнародним комітетом з атомних ваг.

Для елементів, що мають два або кілька стійких ізотопів, атомну масу обчислюють із мас різних ізотопів і відносних кількостей цих ізотопів так, як показано в наступному прикладі.

Аргентум має два стійкі ізотопи. За допомогою мас-спектрографа встановлено, що маси цих ізотопів дорівнюють 106,902 і 108,900, причому їхні відносні кількості (чисельне співвідношення ядер) становлять відповідно 51,36 і 48,65%. Чому дорівнює атомна маса Аргентуму, обчислена на підставі цих експериментальних даних?

Розв'язання. Середня атомна маса дорівнює 0,5135×106,902+0,4865×108,900. Неважко переконатися, що цей вираз можна переписати в такому вигляді: 106,902+0,4865(108,900—106,902) = 106,902+0,4865×1,998 = 106,902+0,972 =407,874 або 107,874 (на думку редакції сайту). Отже, згідно з наведеними розрахунками, атомна маса Аргентуму дорівнює 107,874.