Екзаменаційний білет № 13

1. Фундаментальні фізичні явища. Розділи фізики. Загальний перелік методів аналізу, що базуються на цих явищах.

Теорія	Основні розділи	Концепції
Класична механіка	Закони Ньютона, Механіка Лагранжа, Гамільтонова механіка,Теорія хаосу, Гідродинаміка, Механіка суцільних середовищ	Вимір, Простір, Час, Рух, Швидкість, Прискорення, Маса, Імпульс, Сила, Енергія,Момент імпульсу, Закони збереження, Гармонічний осцилятор, Хвиля, Робота,Потужність
Електромагнетизм	Електростатика, Електрика, Магнетизм, Рівняння Максвелла	Електричний заряд, Електричний струм, Електричне поле, Магнітне поле,Електромагнітне поле, Електромагнітне випромінювання, Магнітний монополь
Термодинаміка,Статистична механіка	Кінетична теорія	Стала Больцмана, Ентропія, Вільна енергія, Теплота, Температура
Квантова механіка	Інтеграл вздовж траєкторій, Рівняння Шредінгера	Гамільтоніан, Ідентичні частинки, Стала Планка, Квантове зчеплення, Квантовий гармонічний осцилятор, Хвильова функція
Теорія відносності	Спеціальна теорія відносності, Загальна теорія відносності	Принцип еквівалентності, 4-імпульс, Система відліку, Простір-час, Швидкість світла
Квантова теорія поля	Квантування невзаємодіючих полів, Теорія збурень	Регуляризація, Перенормування, Ренормгрупа, Фізичний вакуум

2. Мас-спектроскопія: електронного удару; польової йонізації, лазерної десорбції.

Мас-спектрографія — метод визначення хімічного, фазового складу і молекулярної структури речовини, що базується на реєстрації спектра мас йонів, утворених внаслідок іонізації атомів і (або) молекул проби. Маса іона визначається за його відхиленням у магнітному полі.

Іонізацію здійснюють пучком електронів або йонів, лазерним випромінюванням тощо. Рідини перед іонізацією часто випаровують. Мас-спектрографія належить до найінформативніших методів і відрізняється високими аналітичними характеристиками, дозволяє провести аналіз твердих, рідких і газоподібних речовин. Число хімічних елементів, що одночасно визначаються у природних об'єктах — до 40; одночасно з елементним складом (з точністю до 1% при наявності стандартних зразків і до 30% при безеталонному аналізі) визначається ізотопний склад (з точністю до 10ˉ¹-10ˉ² %) речовини.

У геології, геохімії, космохімії використовують три основні напрямки мас-спектрографії: ізотопний, молекулярний і елементний аналізи.

Ізотопний аналіз (вимірювання поширеності ізотопів різних елементів в земних і космічних об'єктах та їх варіацій) дозволяє:

- отримувати інформацію про первинний ізотопний склад елементів, пов'язаний з процесами, що відбувалися під час формування Сонячної системи або в період, що передував (процеси нуклеосинтезу);

- встановлювати розповсюдженість радіогенних ізотопів;

- визначати абсолютний вік порід, мінералів і рудних тіл;

- вимірювати варіації розповсюдженості стабільних ізотопів в земній корі, її надрах і космічних об'єктах;

- вивчати роль біосфери в процесах формування родов. горючих корисних копалин (вугілля, нафти і газу).

Молекулярний аналіз (аналіз складних сумішей органічних сполук і визначення їх структури) використовується для визначення складу органічних сполук у ґрунтах, реєстрації органічного забруднення вод, для вивчення складу нафт і їх фракцій з метою оптимізації процесів їх переробки.

Елементний аналіз дозволяє визначати склад домішок порід, мінералів і рудних утворень і дослідити розподіл елементів в мікрооб'ємах природних об'єктів, пов'язаний з магматичними і осадовими процесами.

Мас-спектроскопія: електронного удару; польової йонізації, лазерної десорбції

Существует много способов сообщить заряд нейтральной частице. В зависимости от задач исследования, а также от устойчивости частицы выбор падает на тот или иной способ ионизации. Наиболее широко применяется до настоящего времени метод электронного удара. Ионизация происходит при столкновении пучка электронов с энергией 40 – 80 эВ с молекулами исследуемого вещества. Время взаимодействия электрона с молекулой порядка   10-18 с, и в результате образуется молекулярный положительный ион, а избыточная кинетическая энергия уносится двумя электронами. Если время жизни образующегося молекулярного иона меньше 10- 6 с, то он не достигает регистрирующего устройства и отсутствует в масс-спектре. В этом случае фиксируются лишь продукты распада молекулярного иона, время жизни которых превышает 10- 6 с. Этот процесс называется фрагментацией, а продукты распада – фрагментарными или осколочными ионами.

Способы разделения ионов.

Как способов ионизации, так и способов пространственного разделения ионов существует достаточно много.

Масс-спектрометр требует создания в нем очень чистого вакуума. Давление остаточного газа в приборе обычно составляет около 10-7 – 10-10 мм рт.ст. Нейтральные молекулы исследуемого газа поступают в область камеры ионизации, где подвергаются столкновению с ионизирующими электронами. При этом часть молекул (около 0,1%) превращается в ионы по схемам, приведенным выше. Электрическое поле, образованное ускоряющей разностью потенциалов Uуск, сообщает ионам кинетическую энергию. Используя закон сохранения энергии, получим 

На ион, влетающий со скоростью υ в масс-анализатор, действует сила Лоренца:

Fл = qυB

В данном случае вектор магнитной индукции направлен на нас (значок  ), а угол a между B и υ равен 900.

В то же время Fл является по своему характеру центростремительной силой:   и, следовательно, 

В результате ион с массой m и зарядом z будет двигаться в магнитном поле по дуге окружности радиуса R, определяемого из соотношения 

Таким образом, изменяя либо Uуск , либо B, можно заставлять двигаться по окружности радиуса Rд , на линии которой находится щель входа в детектор, ионы той или другой массы или величины заряда.Записывая зависимость ионного тока от m / z, получают набор пиков, называемый масс-спектром. Еще один способ разделить ионы по массам – создать кратковременный импульс постоянного электрического поля (рис. 3). Приобретая скорость  ионы долетают до коллектора за время 

Масс-спектрометрия с прямой лазерной десорбцией (англ. Direct Laser Desorption - Mass Spectrometry - LDMS) — десорбционный метод ионизации, обусловленной воздействием лазерного излучения на поверхность нелетучей пробы. Термин «лазерная десорбция» используется в тех случаях, когда лазерное воздействие на поверхность образца ограничено лишь десобцией молекул, молекулярных радикалов и молекулярных ионов. Если же мощность лазерного излучения достаточна для диссоциации и ионизации продуктов лазерного воздействия (лазерной абляции), то есть формирования пара атомарных ионов над поверхностью образца, в этом случае такая методика обычно называется лазерно-искровая масс-спектрометрия (ЛИМС) или просто лазерная микромасс-спектрометрия.

Эффективный и направленный перенос энергии во время акта индуцированной лазером десорбции при помощи матрицы приводит к большому выходу ионов незатронутого аналита и позволяет проводить измерения соединений с субпикомолярной чувствительностью. Вдобавок, удобство MALDI для анализа гетерогенных образцов делает его очень привлекательным для масс-анализа сложных биологических образцов, как, например, гидролизат белков.

3. Електрокінетичні явища і методи аналізу.

Електрокінетичні явища, група явищ, що спостережуваних в дисперсних системах і капілярах і виражаються або у виникненні руху однієї з фаз по відношенню до іншої під дією зовнішнього електричного поля ( електроосмос, електрофорез) , або у виникненні різниці потенціалів у напрямі відносного руху фаз, що викликається механічними силами (седиментаційний потенціал, або ефект Дорну, потенціал течії). Е. я. обумовлені існуванням на кордоні фаз надлишкових зарядів, розташованих у вигляді двох протилежно заряджених шарів, званих подвійним електричним шаром .