2.3. Маси атомів. Ізотопи

Вивчення траєкторії руху каналових променів у магнітних полях дало змогу визначити їхні питомі заряди . Вони виявились значно меншими, ніж електронів. Навіть для іонів найлегшого атома водню . Якщо припустити, що заряд іонів водню збігається з виміряним у дослідах Мілікена елементарним зарядом е, тобто вони однократно іонізовані, то його маса дорівнює:

Ця маса вважається масою позитивного заряду іона атома водню, тобто масою протона , бо двічі іонізованого атома водню не існує. Маси інших іонів та атомів ще більші, але кратні масі атому водню.

Іони складних атомів можуть бути кратно іонізованими. Їх заряд дорівнює , де - кратність іонізації. Тому з експериментальних значень отримують ефективні маси іонів , які відрізняються від маси іонів множником .

Таким чином, за допомогою кількісного аналізу руху заряджених частинок у магнітних полях, можна визначити їхні ефективні маси. Методика визначення мас заряджених частинок називається мас-спектрометрією, а відповідні прилади називаються мас-спектрометрами. Велику роль в розробці мас-спектрометрів та в дослідженні ізотопів відіграв англійський вчений Астон.

Схема його мас-спектрометра наведена на рис.2.6

Рис.2.6. Схема мас-спектрометра Астона: 1) – джерело іонів, 2) – область дії електричного поля, 3) область дії магнітного поля, 4) – фотоплатівка з зображенням слідів від дії іонів з масами .

Існує чимало різновидів мас-спектрометрів: статично-секторні, часопролітні, квадрупольні та інші.

На рис.2.7 наведена схема будови одного з різновидів статично секторного мас-спектрометрів, що називається мас-спектрометром  - типу. З іонного джерела (1), де створювались іони атомів речовини, що досліджувались, вилітають іони з певним розподілом швидкостей відносно - їхньої середньої швидкості . Для зменшення розподілу швидкостей іони пропускають крізь спеціальні фільтри (монохроматори). Найпростішим фільтром є простір, у якому створюються однорідні взаємно перпендикулярні електричне та магнітне поля (рис.2.7.б). На іони, що рухаються із швидкістю v перпендикулярною до , діють сили: електростатична і сила Лоренца .

Вони відхиляють іони в протилежних напрямках. Тому крізь вихідну діафрагму фільтра проходять лише іони, для яких ці сили рівні, тобто при умові .

Рис.2.7. Схема -мас-спектрометра : 1 - джерело іонів, 2 - однорідне поле , перпендикулярне до площини рис., 3 - фотопластинка (детектор іонів), ₁ і - радіуси траєкторій іонів з масами ₁ і , 4 і 4’ – фільтр швидкостей. і – точки на фотопластинці, у які потрапляють іони з масами і , .

Іони із сталою швидкістю надходять крізь діафрагму В до камери, в якій діє перпендикулярне до площини рис.2.7 однорідне магнітне поле . Воно створює силу Лоренца, що діє на іон у напрямку перпендикулярному до його швидкості. Під дією цієї сили іон починає рухатись по колу з радіусом R, який визначається з рівності (доцентровою силою є сила Лоренца).

Внаслідок цього іон певної маси надходить до фотопластинки в точці А, що знаходиться на відстані від вхідної діафрагми . Таким чином, знаючи i та вимірявши відстань , можна знаходити масу іонів за формулою . Однією з особливостей мас-спектрометрів є фокусування іонних пучків, що розходяться на малі кути. Воно схематично наведено на рис.2.6 і рис.2.7. Фокусування збільшує величину вихідного сигналу, тобто збільшує чутливість приладу. Важливими характеристиками мас-спектрометрів є лінійна дисперсія, чутливість та роздільна здатність.

Лінійна дисперсія визначається як , де - відстань між піками інтенсивності, що відповідають частинкам з масами та .

Чутливість – це відношення сили струму, створюваного іонами даної маси досліджуваної речовини до тиску цієї речовини в іонному джерелі. Для різних типів мас-спектрометрів чутливість має порядок . Максимальна чутливість мас-спектрометрів порядку .

_{Відносна чутливість – це мінімальна концентрація речовини, яку може виявити мас-спектрометр в суміші речовин. Для сучасних мас-спектрометрів відносна чутливість}

Роздільна здатність мас-спектрометра визначається формулою:

,

де - атомна (молекулярна) маса, - різниця двох мас і , регістраційні піки яких перетинаються на рівні 10% від максимуму піка.

Роздільна здатність залежить від принципу дії мас-спектрометра. Роздільна здатність вважається задовільною, якщо в одиницях а.о.м. Наприклад, якщо розділяються іони (28,0134 ) і (27,9949), то роздільна здатність мас-спектрометра порядку . Кращі мас-спектрометри мають . Показником якості мас-спектрометрів вважають можливість дослідження іонів з найбільшою масою, при якій досягається розділення двох мас з (одиниця розділення). Якщо, наприклад, розділяються маси 600 і 601, то говорять, що мас-спектрометр має „одиничну роздільну здатність” 600. Роздільна здатність мас-спектрометрів з подвійним фокусуванням дорівнює .

За допомогою мас-спектрометрії отримані такі результати.

По-перше, ефективні маси іонів різних елементів виявились кратними масі протона.

По-друге, ефективні маси іонів різних елементів збільшуються майже пропорційно їх атомній вазі (атомній масі²). Проте ця залежність була не зовсім точною, тому що атомна вага (атомна маса), здебільшого, дробове число, на відміну від ефективних мас, визначених по відношенню до маси протона, які були цілими числами.

По-третє, мас-спектрометричні вимірювання ефективних мас окремих елементів показали, що вони, як правило, мають декілька ефективних мас. Наприклад, природній газ неон з атомною вагою 20,183 мав у своєму складі три сорти іонів з ефективними масами 20 (90,92%), 21 (0,257%) і 22 (9,823%), появу яких у каналових променях електричного розряду в неоні не можна пояснити кратністю іонізації атоміф неону. Це дало змогу дійти до висновку, що прості речовини елементів, які мають дробові значення атомної ваги (атомної маси), складаються із суміші ізотопів з цілими значеннями ефективних мас.

Ізотопами (від грец. іsos-рівний, однаковий і topos -місце) називаються різновиди атомів однакового хімічного елемента з однаковим атомним номером у періодичній системі елементів, котрі мають майже однакові хімічні властивості й дуже близькі за фізичними властивостями. Їх атомні ядра мають однакову кількість протонів але різну кількість нейтронів. Наприклад, ізотопи найлегшого елементу водню протій , дейтерій і - тритій дуже сильно відрізняються за масою, хімічними і фізичними властивостями.

По-четверте, наступні більш точні дослідження мас іонів інших заряджених частинок і відкриття ізотопів примусило змінити атомну одиницю маси. Атомною одиницею маси (1а.о.м.), що використовується сучасною атомною і ядерною фізикою з 1984 року для визначення мас елементарних частинок, атомів і молекул, вибрана одиниця маси рівна 1/12 маси ізотопу вуглецю і рівна

Вона дуже близька до маси протона й маси атома водню, хоча й відрізняється від них. (Сучасна атомна одиниця маси відрізняється від хімічної одиниці маси, за яку було в свій час прийнято 1/16 маси ізотопу кисню і від одиниці атомної ваги, за яку було вибрано 1/16 атомної маси природного кисню, який є сумішшю трьох ізотопів і Сучасна старої фізичної одинці маси і 0,999725 від одиниці атомної ваги.)

У зв’язку з тим, що атомні маси ізотопів не відрізняються цілими числами, то для атомів елементів уводиться, так зване, масове число . Воно є найближчим цілим числом до атомної маси. У літературі масове число позначається вгорі біля символу хімічного елемента, наприклад, , , , тощо. Значення не треба плутати з атомною масою. У розділі ядерної фізики масове число буде визначено як сумарне число нуклонів (протонів і нейтронів) у складі атомного ядра. Це одна з найважливіших характеристик атомного ядра (нукліда).