Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

W 1910 roku angielski chemik Frederic Soddy na drodze rozważań teoretycznych, analizując szeregi promieniotwórcze i przekształcenia wzajemne pierwiastków, doszedł do wniosku, że istnieją ich różne odmiany. Chemiczne właściwości tych odmian atomów są identyczne, stąd jako pierwiastek zajmują to samo miejsce w tablicy Mendelejewa. Różnią się jedynie masą.

Pierwszy dowód doświadczalny na istnienie izotopów został dostarczony przez przez Josepha Johna Thomsona (znanego także jako J.J. Thomson). Używając pierwszego, prymitywnego jeszcze spektrografu masy, odkrył w 1913 roku dwa izotopy neonu (Rys. 1.).

R76vk11z442Ya
Rys. 1. Zdjęcie płyty fotograficznej, na której w 1913 r. podczas badań nad budową lampy wyładowczej, J.J. Thomson zarejestrował ślady odchylonych w polu magnetycznym i elektrycznym izotopów zjonizowanego neonu 20Ne i 22Ne.
Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Discovery_of_neon_isotopes.JPG [dostęp 14.05.2022 r.], domena publiczna.

Uczeń J.J. Thomsona Francis William Aston zbudował pierwszy spektrograf masowy (Rys. 2.), czyli przyrząd, za pomocą którego mógł odseparować izotopy danego pierwiastka i nawet wyznaczyć ich masy. Jego badania zostały w 1922 roku uwieńczone nagrodą Nobla z chemii.

R1N16LNKXClnW
Rys. 2. Replika spektrografu masowego Astona.
Źródło: Jeff Dahl, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Early_Mass_Spectrometer_(replica).jpg [dostęp 14.05.2022 r.], licencja: CC BY-SA 3.0.

Wczesne spektrografy masowe z podwójnym ogniskowaniem zostały niezależnie opracowane w połowie lat trzydziestych XX wieku przez Dempstera (1935), Bainbridge'a i Jordana (1936) oraz Mattaucha i Herzoga (1934). Przyrządy te są oparte na teorii ogniskowania pierwszego rzędu. W tym miejscu omówimy nieco prostszy w budowie spektrograf masowy Bainbridge’a (Rys. 3.). Oto schemat jego budowy:

RyzjE98tDFnyb
Rys. 3. Schemat budowy spektrografu masowego Bainbridge’a
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Wiązka jonów trafia do selektora prędkości, którym jest komora ze skrzyżowanymi polami: magnetycznym o indukcji B i elektrycznym o  natężeniu E. Tutaj dokonuje się selekcja cząstek - z komory wyjdą tylko te cząstki, które poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Aby tak się stało, oba pola muszą być skorelowane. Prześledźmy, jaki warunek musi być spełniony, aby cząstka opuściła selektor.

Na dodatni jon poruszający się w selektorze prędkości na Rys. 3. w prawo działa siła magnetycznaSiła magnetyczna (ang. magnetic force)siła magnetyczna skierowana w górę. Przeciwnie działa na ten jon siła elektrycznaSiła elektryczna (ang. electric force)siła elektryczna. Zatem, warunkiem ruchu jednostajnego prostoliniowego jest równowaga tych sił. Zapiszmy:

Fmag=Fel
Fmag=qvB sin (v,B)
(v,B)=90 ° więc Fmag=qvB

Zatem qvB=qE, gdzie qE jest wartością siły elektrycznej działającej na jon. Widać więc, że warunkiem ruchu jednostajnego prostoliniowego jest równość:

v=EB

Jeśli jon będzie poruszał się z większą prędkością, to jej tor ulegnie odchyleniu do góry (większą wartość będzie miała siła magnetyczna). Jeśli będzie poruszał się z mniejszą prędkością, tor odchyli się w dół. Tory cząstek o prędkościach niespełniających tego warunku ulegną zakrzywieniu i cząstki nie wydostaną się z selektora.

Po opuszczeniu selektora, jon dodatni wpada w obszar jednorodnego polaPole jednorodne (ang. uniform field)jednorodnego pola magnetycznego o indukcji BIndeks dolny 0. Cząstka wpada dokładnie prostopadle do linii tego pola, a więc siła magnetyczna pełni rolę siły dośrodkowej i zakrzywia tor cząstki, która ostatecznie trafia na kliszę fotograficzną, pozostawiając swój ślad. Siła magnetyczna jest tutaj siłą dośrodkową, co możemy wyrazić następującą równością:

mv2r=qvB0

Wykorzystując warunek v=EB, wyznaczamy masę jonu.

m=qrB0BE

Źródłem jonów jest tzw. komora jonizacyjna, w której badana substancja w fazie gazowej poddana jest zderzeniom ze strumieniem elektronów przyspieszonych do wysokich energii. Podczas zderzenia zostaje przekazana atomowi część energii kinetycznej elektronu i elektron z powłoki walencyjnej odrywa się od atomu – powstaje jon dodatni o ładunku +e. I to są najczęstsze przypadki. Czasem może dojść do podwójnej jonizacji i wtedy ładunek jonu wynosi +2e. Zajmijmy się jednak jonami o ładunku najczęściej występującym.

Wystarczy zmierzyć promień półokręgu, po którym porusza się jon, aby wyznaczyć jego masę. Korzystamy wtedy ze związku: m=erB0BE. Widać z wyprowadzonego powyżej wzoru, że wystarczy zmierzyć promień półokręgu zakreślonego przez cząstkę, aby wyznaczyć jej masę. A promień ten jest jednocześnie połową odległości między miejscem wlotu cząstki, a jej śladem na kliszy.

Zastanówmy się, co dostaniemy, gdy na kliszę trafią izotopy tego samego pierwiastka, np. jony, pochodzące z gazowej próbki rtęci. Rtęć ma 7 izotopów o różnych masach, a obraz jaki dostaniemy jest przedstawiony na Rys. 4.

R3oJFTomRptnx
Rys. 4. Schemat pokazujący ślady po jonach na płycie fotograficznej. Liczby 196Hg, 198Hg, 199Hg, 200Hg, 201Hg, 202Hg, 204Hg oznacząją siedem stabilnych izotopów rtęci.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Jak sądzisz, dlaczego niektóre linie widmowe są wyraźne, a niektórych prawie nie widać?

Na płycie fotograficznej zobaczymy aż siedem śladów po jonach, gdyż rtęć ma 7 izotopów o różnych masach. Co więcej, zauważ, że pewne linie (ślady) są słabsze, a pewne mocniejsze. Zależy to od natężenia wiązki jonów danego izotopu. Tak więc badając powstałe widmo masowe rtęci możemy dowiedzieć się nie tylko, jakie są masy izotopów, ale także jaki jest skład izotopowy tego pierwiastka.

Ilościowy wynik tej obserwacji przedstawiony jest na wykresie (Rys. 5.). Przedstawia on zależność względnej liczby danego izotopu rtęci (w stosunku do wszystkich występujących) od liczby masowejLiczba masowa A (ang. mass number)liczby masowej A.

RJbOQDKT8mfsu
Rys. 5. Spektrogram masowy rtęci
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Słowniczek

Siła elektryczna (ang. electric force)
Siła elektryczna (ang. electric force)

siła działająca na ładunek znajdujący się w polu elektrycznym opisana równaniem wektorowym: Fel=qE, gdzie q jest ładunkiem (z uwzględnieniem znaku) a E jest wektorem natężenia pola elektrycznego w punkcie, w którym znajduje się ładunek.

Siła magnetyczna (ang. magnetic force)
Siła magnetyczna (ang. magnetic force)

inaczej zwana siłą Lorentza (ściślej jej częścią magnetyczną) jest siłą działającą na poruszający się ładunek w polu magnetycznym; opisana jest równaniem Fmag=q(v × B), gdzie q jest ładunkiem (z uwzględnieniem znaku), v jest wektorem prędkości ładunku a B jest wektorem indukcji magnetycznej w punkcie, w którym znajduje się ładunek.

Wartość tej siły obliczana jest w następujący sposób: Fmag=|q|vB sin (v,B), a kierunek wyznaczamy stosując regułę śruby prawoskrętnej, co symbolicznie pokazano na rysunku.

RQ5xBT1jIxSzt
Pole jednorodne (ang. uniform field)
Pole jednorodne (ang. uniform field)

pole elektryczne, magnetyczne bądź grawitacyjne o liniach równoległych; w każdym punkcie przestrzeni wektory opisujące pole są takie same – o tej samej wartości, kierunku i zwrocie.

Liczba masowa A (ang. mass number)
Liczba masowa A (ang. mass number)

liczba nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu danego izotopu danego pierwiastka.

Masa atomowa (ang. atomic mass)
Masa atomowa (ang. atomic mass)

masa atomu wyrażona w jednostkach masy atomowej u (unit).

Jednostka masy atomowej u (ang. atomic mass constant)
Jednostka masy atomowej u (ang. atomic mass constant)

zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla Indeks górny 12C

1u=1,660538921(73)10-27kg