Spektrograf mas

Każda nowa epoka historii wiedzy ludzkiej, a raczej tej gałęzi wiedzy, którą nazywamy nauką ścisłą, rozpoczyna się jakąś nową hipotezą i… wynalezieniem przyrządu, który pozwala na jej sprawdzenie. Prawdziwy pogląd na budowę układu słonecznego rozpoczęły: hipoteza Kopernika i luneta.

Obecnie wkroczyliśmy w nową epokę nauki, którą można by nazwać „erą atomową“. Początkiem jej było zaprzeczenie hipotezy Daltona z 1803 r., że wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają jednakowe masy i… spektrograf mas.

Przypuszczenie, że pierwiastki są mieszaniną izotopów było wysunięte już pod koniec XIX wieku — należało je jednak sprawdzić. Jak wiemy izotopy zachowują się identycznie w reakcjach chemicznych — metody chemii nie mogły więc być uczonym pomocne.

Metoda paraboli Thomsona wykazała wprawdzie istnienie izotopów, ale okazała się zbyt mało subtelna dla przeprowadzenia dokładnych, ilościowych badań. Dopiero spektrograf mas rozwiązał to zagadnienie.

DLACZEGO „SPEKTROGRAF?“

Spektrograf jest to przyrząd do badania widma światła czyli, inaczej mówiąc, do rozdzielania promieni świetlnych na poszczególne składniki, odpowiadające rozmaitym długościom fali.

Spektrograf mas służy również do badania promieni — ale nie świetlnych, a tak zwanych „promieni dodatnich“. Badając wyładowania elektryczne w gazach rozrzedzonych, Goldstein zauważył w 1886 r., że z anody (bieguna dodatniego) wychodzą jakieś nowe, dotychczas nie znane promienie. Okazało się, że są to jony dodatnie, czyli atomy pozbawione części elektronów. Spektrograf masy rozkłada je na poszczególne składniki, czyli jony, odpowiadające oczywiście nie rozmaitym długościom fali, ale poszczególnym izotopom.

WYTWARZANIE „PROMIENI DODATNICH“

Rysunek 1 przedstawia bańkę szklaną, napełnioną gazem, którego izotopy chcemy rozdzielić (oczywista ciśnienie gazu jest bardzo niskie). Anoda A (biegun dodatni) zrobiona jest z glinu i otoczona rurką glinową celem zabezpieczenia szklanych ścianek od działania promieni. Katoda c> również z glinu, posiada w środku szczelinę, którą przechodzą, badane jony do dalszej części przyrządu. Jeżeli anodę i katodę połączymy ze źródłem wysokiego napięcia (około 50.000 woltów), to do katody popłynie strumień jonów dodatnich. Ponieważ posiadają one tak wielką energię, że mogłyby stopić szkło, więc musimy przewidzieć jakieś „zabezpieczenie“. To zabezpieczenie — to pręcik z krzemionki (D) zakończony kulką, który przejmuje na siebie, że się tak wyrażę, „pierwsze uderzenie” promieni.

Jak wiemy, izotopy są to atomy tego samego pierwiastka o różnych masach. Wobec tego jony różnych izotopów mają, oczywista, różne masy — na tym polega, jak się później przekonamy, tajemnica działania spektrografu mas.

JAKI JEST DALSZY LOS JONÓW?

Jony zostają przepuszczone przez szczeliny St i S2 (rys. 2) i dostają się między dwie naładowane elektrycznie płytki Pi i L. Jony nasze posiadają ładunek dodatni i, naturalnie, zostaną odepchnięte od płytki tego samego znaku, a przyciągnięte przez płytkę znaku przeciwnego. Ponieważ jednak posiadają one dużą prędkość, więc nie spadną na przyciągającą je płytkę, a zboczą jedynie z danego „prostolinijnego toru“. Na rysunku podanym w sposób uproszczony widzimy, że jony, których tor początkowy jest to linia prosta przez szczeliny Sl * s2 do punktu Z, zostają odchylone, kierując się przez jeszcze jedną szczelinę D na punkt o. Średni kąt odchylenia oznaczony został literą © (theta). Okrąg zakreślony z punktu 0, jako ze środka przedstawia biegun elektromagnesu. Jak wiemy, pole magnetyczne działa na jony, odchyla ich tor w ten sposób, że robią one „zakręt“ i padają na płytę fotograficzną GF.

A teraz uwaga! Zapoznam czytelników z jedną z najważniejszych tajemnic spektrografu mas — w jaki sposób zmusić jony tego samego izotopu, aby „skupiły się” na kliszy, dając jeden prążek.

Przelatujące przez szczeliny jony o tej samej masie nie posiadają nigdy dokładnie tej samej prędkości (o ile nie zastosujemy specjalnych urządzeń) — wobec tego są one odchylone rozmaicie, zarówno przez pole elektryczne, jak i magnetyczne. Zrozumiałe jest bowiem, że im większa jest prędkość jonu, tym mniej zdąży się on odchylić przelatując przez obszar, w którym działa jedno z wymienionych pól. Tajemnica spektrografu mas polega na tym, aby odchylenie „magnetyczne“ naprawiło to, co „elektryczne“ zepsuło, a mianowicie, aby skupiało w jednym punkcie jony danego izotopu. Średni, kierunek jonów odchylonych przez płytki P1 i P2 przedstawia prosta ZOA — jak wiemy tworzy on z dawnym kierunkiem (przed odchyleniem) kąt ® Jeżeli kąt odchylenia magnetycznego będzie większy od kąta 2® (przedstawionego prostą ox. (a mniejszy od 4®, to o ile klisza jest ustawiona równolegle do OX, otrzymamy na niej skupienia jonów poszczególnych izotopów. Szczeliny S1, S2, i D Są to szczeliny płaskie, przepuszczające wiązkę jonów w postaci wstęgi — na kliszy otrzymamy więc ciemne prążki. Co najciekawsze, że ze wzajemnych odległości między nimi można obliczyć stosunki mas atomów poszczególnych izotopów.

W praktyce analizujemy często jednocześnie kilka pierwiastków, co pozwala nam łatwiej się zorientować w wartościach mas. Rysunek 3 przedstawia pierwszy spektrograf mas, a rysunek 4 otrzymane widma. Widzimy, że poszczególne prążki są nieostre i nie pozwalają na dokładne badania.

NOWOCZESNE SPEKTROGRAFY O PODWÓJNEJ FOKALIZACJI.

Od czasu wybudowania przez Astona pierwszego spektrografu mas, widzimy ciągły postęp w budowaniu coraz doskonalszych modeli tych przyrządów. Rysunek 5 przedstawia drugi spektrograf Astona, a rys. 6 widma jakie w nim otrzymano — prążki są tu nieco ostrzejsze, ale jeszcze dużo pozostawiają do życzenia. Zadowalające wyniki dały dopiero spektrografy o tzw. „podwójnej fokalizacji“. Fokalizacją nazywamy w optyce skupienie w jednym punkcie promieni świetlnych — w ten sam sposób nazwano skupienie jonów przez spektrograf mas. Nowe typy tych przyrządów skupiają w oddzielne prążki jony, spełniające następujące warunki:

W ten sposób otrzymujemy podwójny podział według izotopów i według prędkości. Następnie proces „skupienia“ powtarza się po raz drugi — tym razem już na kliszy fotograficznej, gdzie łączą się rozdzielone poprzednio jony tego samego izotopu, o rozmaitych prędkościach.

Nowoczesna fizyka posługuje się dziś wieloma przyrządami — spektrograf mas odegrał wśród nich podobną rolę, co luneta w odkryciach astronomicznych i dlatego należy mu się bez wątpienia pierwsze miejsce w cyklu „narzędzia wiedzy“.