Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj 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

Wyznaczamy masę cząstki w spektrometrze masowym

Z pomocą tej symulacji uda Ci zmierzyć masę jądra atomowego żelaza Indeks górny 56Fe. To jest izotop żelaza zdecydowanie najbardziej powszechny - występujący w ponad 90% w składzie izotopowym żelaza. Oczywiście nie będzie to pomiar rzeczywisty, ale po prostu symulacja takiego pomiaru. Nie mniej wydaje się pouczające wyobrażenie sobie, jak taki pomiar mógłby przebiegać. Miłej zabawy!

Rk5OF4gzUKlUS1
Opis animacji:

Symulacja przedstawia zachowanie się czterech jonów żelaza o różnych liczbach masowych w jednorodnym polu magnetycznym. W symulacji mamy trzy kontrolki w postaci przycisków ustawione jeden nad drugim w lewej części symulacji. Zaczynając od góry: - przycisk START pozwalający wystrzelić jony - przycisk STOP zatrzymujący symulację - przycisk RESTART przygotowujący nowe jony do wystrzelenia Pod przyciskami mamy kontrolkę w postaci pionowego suwaka, którym możemy ustawiać energię wystrzeliwanych jonów. Wartość wybranej energii pokazuje się po prawej stronie suwaka. Po prawej stronie od kontrolek na dole ekranu symulacji znajduje się źródło jonów symbolizowane brązowym kwadratem z otworem na górze. Na początku symulacji jony znajdują się w tym kwadracie symbolizowane dużą szarą kropką z szarą strzałką skierowaną pionowo do góry symbolizującą prędkość jonów, która wynika z ustawionej wcześniej na suwaku energii. Im większa energia jonów tym większa ich prędkość dla tego przesuwanie suwaka energii w górę powoduje wydłużanie się strzałki wektora. Po naciśnięciu przycisku START jony wylatują do góry i poruszają się po ekranie odpowiednio szybko do wybranej przez nas energii. Przechodzą pomiędzy dwoma okładkami kondensatora symbolizowanymi w symulacji dwoma pionowymi czarnymi liniami. Kondensator jest naładowany co symbolizują znaki plus przy okładce lewej i znaki minus przy okładce prawej. Powoduje to powstanie jednorodnego pola elektrycznego wewnątrz kondensatora w kierunku poziomym prostopadłego do toru jonów. Oprócz pola elektrycznego między okładkami znajduje się pole magnetyczne skierowane od nas w głąb ekranu prostopadle do niego co symbolizuje czarne kółko przekreślone w środku i symbol wektora indukcji magnetycznej który tworzy duża czarna litera B, nad którą znajduje się strzałka wektora skierowana w prawo. Przejście jonów przez ten układ skrzyżowanych pól zwany selektorem prędkości powoduje, że przelatują przez niego na wprost tylko jony o wybranej przez nas energii. Po minięciu selektora jony trafiają na zakratkowany przypominający szary papier milimetrowy obszar, w którym panuje jednorodne pole magnetyczne tym razem skierowane z głębi ekranu do nas i prostopadle do jego powierzchni, co symbolizuje czarne kółko z kropką w środku i symbol wektora indukcji magnetycznej który tworzy duża czarna litera B, nad którą znajduje się strzałka wektora skierowana w prawo. W obszar ten wrysowano osie prostokątnego układu współrzędnych XY gdzie OY jest osią pionową, a OX osią poziomą, w taki sposób aby miejsce wlotu jonów w strefę pola znajdowało się w punkcje [0, 0]. Pod wpływem działającego na jony jednorodnego pola magnetycznego jony zaczynają się poruszać po połówce okręgu zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Gdy dolatują do osi OX, która w tej symulacji symbolizuje kliszę fotograficzną, z osi tej możemy odczytać średnicę okręgu tworzonego przez tor ruchu danego jonu. W symulacji przedstawiono tory ruchu czterech jonów o różnych masach atomowych: Fe‑54 – kolorem czerwonym, Fe‑56 – kolorem niebieskim, Fe‑57 – kolorem zielonym oraz Fe‑58 – kolorem pomarańczowym. Średnice te będą tym większe im większa będzie ustawiona przez nas na początku energia jonów oraz tym większe im większy dla danego jonu będzie stosunek jego masy do ładunku elektrycznego. Ponieważ w tej symulacji mamy do czynienia wyłącznie z jonami żelaza, a ich ładunki elektryczne są identyczne więc przy ustalonej energii początkowej jonów wpływ na średnice ich torów będzie miała tylko masa. Dzięki temu po odczytaniu średnicy toru ruchu jonu z osi OX możemy ją przeliczyć na masę danego jonu. Symulacja przeliczy średnicę na masę automatycznie. Wystarczy, że wpiszemy średnicę w centymetrach w specjalne interaktywne pole poniżej wykresu oznaczone małą literą d. Wartość masy ukaże się w kolejnym polu poniżej oznaczonym małą literą m.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
Polecenie 1

Żelazo ma cztery izotopy trwałe. Poniżej podany jest jego izotopowy skład procentowy.

Indeks górny 54Fe -  5,8%;

Indeks górny 56Fe -  91,72%

Indeks górny 57Fe -  2,2%

Indeks górny 58Fe - 0,28%

Po czym rozpoznasz tor najlżejszego izotopu? Zastanów się, dla jakiej wartości natężenia pola elektrycznego E pomiar masy jonu będzie najdokładniejszy ( będzie najmniejsze).

Polecenie 2

Wybierz najlepszą wartość natężenia pola elektrycznego E i odczytaj na skali w centymetrach wartość d – odległość śladu jonu Indeks górny 56Fe od wlotu do komory spektrometru. Posłuż się „lupą” (czyli kółeczkiem na myszce) tak, żeby Twój odczyt miał dokładność co najmniej 1 cm. Wpisz odczytaną wartość d w okienko, a poniżej pojawi się obliczona z podanej wartości d masa jonu wyrażona w jednostkach masy atomowej u.

Możesz dokonać pomiaru jonu wielokrotnie zmniejszając nieco E, a więc zmniejszając prędkość jonów. Obliczona wartość średnia z Twoich pomiarów będzie bliższa prawdziwej wartości masy jonu.

Na zakończenie porównaj Twój wynik z wzorcem – tablicową wartością masy jonu Indeks górny 56Fe.