DOŚWIADCZENIE PRZY UŻYCIU SPEKTOGAFU MASOWEGO
Opis i historia życia Francisa Williama Astona.
W 1896 roku John Thomson badał promieniowanie katodowe i odkrył elektron- pierwszą cząsteczkę elementarną. W roku 1911 próbował on podobną metodą badać jądro atomowe. Thomson otrzymywał wiązkę jonów dodatnich wpuszczając do naczynia gaz. W naczyniu umieszczone były dwie elektrody pomiędzy którymi panowało pole elektryczne, wyrywające z atomów elektrony (rys1).
rys1
Elektrony te przemieszczały się do dodatnio naładowanej anody, a jony dodatnie do katody. W katodzie znajdował się kanalik, którym jony mogły być wyprowadzone na zewnątrz urządzenia. Przebiegały one następnie między naładowanymi elektrodami D i E, między którymi istnieje pole elektryczne o natężeniu E oraz biegunami magnesu S i N wytwarzającymi pole magnetyczne o natężeniu B. Wiązka jonów jest odchylana zarówno przez pole elektryczne- pionowo jak i przez pole magnetyczne- poziomo. Siła pochodząca od tego pierwszego pola równa jest:
Fel = E*q (1)
Z II prawa Newtona jest:
Fel = m*a (2)
gdzie m- masa elektronu, a- przyśpieszenie cząstki. Cząstka znajdująca się w tym polu porusza się po torze będącym łukiem okręgu o promieniu r, tak że występujące przyśpieszenie jest przyśpieszeniem dośrodkowym w ruchu po okręgu:
r>a = v2/r (3)
Tak, że po połączeniu wzorów (1), (2) i (3) jest:
r = (v2*m)/(q*E) (4)
Jeżeli v wszystkich jonów są takie same i włączone jest tylko pole elektryczne wiązka będzie trafiać w ekran w punkcie 1.
Siła pochodząca od pola magnetycznego skierowana prostopadle do kierunku pola i prostopadła do prędkości jonów zakrzywiająca tor ruchu wiązki, który staje się łukiem okręgu o promieniu r1wynosi:
Fmag= q*v*B (5)
Po połączeniu tego wzoru z II prawem Newtona i z wzorem na przyśpieszenie dośrodkowe w ruchu po okręgu jest:
r1= (m*v)/(q*B) (6)
Jeżeli v wszystkich jonów są takie same i włączone jest tylko pole magnetyczne wiązka będzie trafiać w punkt 2.
Jeśli teraz oba pola będą włączone na każdy jon będą działały te dwie siły i przy stałej v wiązka trafi w punkt 3. Na ekranie, który jest kliszą fotograficzną wiązka pozostawia ślad. Jednak v poszczególnych jonów jest różne tak więc na ekranie zamiast pojedynczej kropki powstaje ślad kształtu paraboli. Jeżeli wszystkie jony mają tą samą masę i ładunek na kliszy powstaje tylko jeden ślad paraboli.
Jednak Thomson badając neon uzyskał na kliszy dwie parabole- odpowiadające masom atomowym tego pierwiastka równym 20 i 22. Odkryte zostały izotopy.
W 1919 roku Francis William Aston zaproponował inny znacznie dokładniejszy niż metoda Thomsona sposób mierzenia zawartości poszczególnych izotopów w całkowitej ilości pierwiastka. Aston zbudował urządzenie nazwane spektrografem masowym. Aparat ten składał się z źródła jonów (działającego na podobnej zasadzie jak ten z doświadczenia Thomsona), dwóch wąskich szczelin (Sz1 i Sz2), dwóch równoległych płytek P1 i P2, między którymi poprzez przyłożenie napięcia powstaje pole elektryczne, przesłony, magnesu stałego, ekranu i kliszy fotograficznej(rys2).
rys2
Jony ze źródła po przejściu przez szczeliny tworzą wąską wiązkę cząstek, która następnie jest rozpraszana przez pole elektryczne (kąt odchylenia jonów jest odwrotnie proporcjonalny do ich energii kinetycznej dzięki czemu możliwe staje się rozdzielenie jonów o różnych prędkościach). Z kolei ten strumień jonów przelatuje przez obszar jednorodnego pola magnetycznego, tak że tory jonów odchylane są w stronę przeciwną. Pole magnetyczne odchyla cząstki o kąt wprost proporcjonalny do pędu cząstek. Dzięki przechodzeniu jonów przez te dwa pola jony o tych samych q/m (stosunku ich ładunku do masy) mogą się skupić w jednym punkcie na kliszy fotograficznej. Dzięki analizie kliszy fotograficznej, na której zaciemnieniu uległy miejsca, w które trafiały jony, możliwe staje się badanie izotopów. Izotopy różniące się między sobą masą trafiają w różne punkty na kliszy, a zaciemnienie tych punktów jest wprost proporcjonalne do ilości padających na nie jonów. Spektrograf zbudowany w 1919 roku i działający do 1925 roku pozwalał wyznaczyć masę atomową izotopów z dokładnością do 1%. Taka dokładność nie zadowoliła uczonych, gdyż odstępstwa masy wielu izotopów od masy całkowitych były również rzędu 1%.
Niedługo później inny naukowiec Arthur Jeffrey Dempster skonstruował doskonalszy przyrząd. Źródłem jonów w tym przypadku była rozżarzona spirala, z której parował metal. Jony opuszczające spiralę miały bardzo małą prędkość. Następnie były one przyśpieszane polem elektrycznym. Pozwoliło to uzyskać wiązkę jonów o prawie jednakowych energiach. Do rozdzielenia jonów o różnych masach wystarczyło więc tylko pole magnetyczne. Przyrząd ten pozwolił zwiększyć dokładność pomiarów ponad stukrotnie.
W latach 30- tych K.T. Bainbridge skonstruował spektrograf o podwójnej ogniskowej strumienia jonów, który umożliwił uzyskanie jeszcze dokładniejszych pomiarów. Wiązka ta przechodziła przez przestrzeń, w której skrzyżowane były pola magnetyczne i elektryczne. Zgodnie z wzorem (1) na jony znajdujące się w polu elektrycznym do góry działała siła:
Fel = E*q
A zgodnie z wzorem (5) na jony będące w polu magnetycznym do dołu działa siła:
Fmag = q*v*B
Naukowiec skonstruował tak urządzenie, aby poza przestrzeń objętą polami przechodziły tylko te jony, które poruszają się po torze nie zakrzywionym, a więc te na które działające siły elektryczna i magnetyczna równoważą się:
E*q = q*v*B
Zatem prędkość jonów przechodzących dalej równa jest:
v = E/B (7)
Na naładowane cząsteczki poruszające się z jednakową prędkością v zwróconą prostopadle do linii pola magnetycznego (wektora indukcji B) wytworzonego przez magnes stały, działa siła prostopadła do wektora prędkości v i wektora B. Cząsteczka porusza się po okręgu. Siła ta dana równaniem (5) jest siłą dośrodkową:
q*v*B = (m*v2)/r (8)
gdzie m- masa cząsteczki, więc:
m = (q*B*r)/v (9)
Do 1937 roku Aston wyznaczył wartości mas atomowych różnych izotopów z dokładnością do piątego miejsca po przecinku.
Odkrycie izotopów pozwoliło uzyskać odpowiedź na zagadkę niecałkowitych mas atomowych. Już prawie sto lat wcześniej William Prout postawił hipotezę, że wszystkie atomy są zbudowane z podstawowych składników, których masa jest równa masie atomu wodoru. Jednak hipotezie tej zaprzeczał chlor, który miał masę atomową równą około 35,5 mas wodoru. Teraz wykazano, iż nie istnieje chlor o masie 35,5, ale dwa izotopy chloru o masach: 35 i 37 w takich proporcjach, że średnia masa wynosi 35,46.
Na początku XX wieku naukowcy byli przekonani, iż jądro atomu składa się z protonów, ale też z jakiegoś innego składnika. Tezę tą potwierdziło odkrycie izotopów- atomów o tej samej liczbie atomowej (liczbie protonów i elektronów w atomie), ale o różnej liczbie masowej.
W roku 1932 roku James Chadwick przedstawił ostateczne doświadczalne dowody występowania neutronów- neutralnych cząsteczek wchodzących w skład jądra o masie bliskiej masie protonu. Obecność neutronu w jądrze tłumaczyło fakt występowania izotopów.
Powrót do strony głównej
Bibliografia
English version