§ 75. Определение удельного заряда ионов. Масс-спектрографы

Описанные в предыдущем параграфе методы определения удельного заряда пригодны в том случае, если все частицы в пучке имеют одинаковую скорость. Все образующие пучок электроны ускоряются одинаковой разностью потенциалов, приложенной между катодом, из которого они вылетают, и анодом; поэтому разброс значений скоростей электронов в пучке очень мал. Если бы это было не так, электронный пучок давал бы на экране сильно размытое пятно, и измерения были бы невозможны,

Ионы образуются за счет ионизации молекул газа, происходящей в объеме, имеющем заметную протяженность. Возникая в разных местах этого объема, ионы проходят затем неодинаковую разность потенциалов, вследствие чего их скорости бывают различными. Таким образом, методы, которыми был определен удельный заряд электронов, к ионам неприменимы. В 1907 г. Томсоном был разработан «метод парабол», который позволил обойти отмеченное затруднение.

В опыте Томсона тонкий пучок положительных ионов проходил через область, в которой на него одновременно воздействовали параллельные друг другу электрическое и магнитное поля (рис. 75.1). Оба поля были практически однородными и образовывали с первоначальным направлением пучка прямой угол. Они вызывали отклонения ионов: магнитное — в направлении оси х, электрическое — вдоль оси у. Согласно формулам (73.4) и (73.3) эти отклонения равны

где v — скорость данного иона с удельным зарядом протяженность области, в которой поля действуют на пучок, h — расстояние от границы этой области до фотопластинки, регистрировавшей попадавшие на нее ионы.

Выражения (75.1) представляют собой координаты точки, в которую попадает на пластинку ион, имеющий данные значения и скорости v.

Рис. 75.1.

Рис. 75.2.

Ионы с одинаковым удельным зарядом, но различными скоростями попадали в разные точки пластинки. Исключив из формул (75.1) скорость v, получим уравнение кривой, вдоль которой располагались следы ионов с одним и тем же значением

Из (75.2) следует, что ионы с одинаковым и различными v оставляли на пластинке след в виде параболы. Ионы с различными располагались вдоль разных парабол. Зная параметры прибора (т. е. ) и измеряя смещения х и у, можно было по формуле (75.2) находить удельный заряд ионов, соответствующих каждой параболе.

При изменении направления одного из полей соответствующая координата изменяла знак на обратный, так что получались параболы, симметричные первоначальным. Деля пополам расстояние между аналогичными точками симметричных парабол, можно было находить х и у. След, оставляемый на пластинке пучком при выключенных полях, давал начало координат. На рис. 75.2 показаны первые параболы, полученные Томсоном.

Произведя опыт с химически чистым неоном, Томсон обнаружил, что этот газ давал две параболы, соответствующие относительным атомным массам, равным 20 и 22. Этот результат послужил основанием для предположения о том, что существуют две химически неразличимые разновидности атомов неона (по современной терминологии — два изотопа неона). Доказательство этого предположения было дано Астоном, усовершенствовавшим метод определения удельного заряда ионов.

Прибор Астона, названный им масс-спектрографом, имел следующее устройство (рис. 75.3).

Рис. 75.3.

Пучок ионов, выделенный системой щелей, пропускался последовательно через электрическое и магнитное поля, направленные так, что они вызывали отклонения ионов в противоположные стороны. При прохождении электрического поля ионы с данным отклонялись тем сильнее, чем с меньшей скоростью они двигались. Поэтому из электрического поля ионы выходили в виде расходящегося пучка. В магнитном поле траектории ионов также искривлялись тем сильнее, чем меньше была их скорость. Поскольку направления, в которых отклонялись ионы полями, были противоположны, после выхода из магнитного поля ионы образовывали пучок, сходящийся в одной точке.

Ионы с другими значениями удельного заряда фокусировались в других точках (на рис. 75.3 показаны траектории ионов лишь для одного значения ). Соответствующий расчет дает, что точки, в которых сходятся пучки, образованные ионами с различными лежат приблизительно на одной прямой (на рисунке она показана штриховой линией). Располагая вдоль этой прямой фотопластинку, Астон получал на ней ряд штрихов, каждый из которых соответствовал определенному значению .

Сходство получающегося на пластинке изображения с фотографией оптического линейчатого спектра послужило причиной того, что Астон назвал его масс-спектрограммой, а свой прибор — масс-спектрографом. На рис. 75.4 приведены полученные Астоном масс-спектрограммы (против штрихов указаны массовые числа ионов).

Бейнбридж создал прибор другого типа. В масс-спектрографе Бейнбриджа (рис. 75.5) пучок ионов проходит сначала через так называемый селектор (или фильтр) скоростей, который выделяет из пучка ионы с определенным значением скорости.

Рис. 75.4.

В селекторе ионы подвергаются одновременному воздействию взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей, отклоняющих ионы в противоположные стороны. Через выходную щель селектора проходят только те ионы, для которых действия электрического и магнитного полей компенсируют друг друга. Это происходит при условии, что . Следовательно, скорости вышедших из селектора ионов, независимо от их массы и заряда, имеют одинаковое значение, равное

Выйдя из селектора, ионы попадают в область перпендикулярного к их скорости однородного магнитного поля с индукцией В. В этом поле они движутся по окружностям, радиусы которых зависят от :

Описав половину окружности, ионы попадают на фотопластинку на расстояниях от щели, равных 2R.

Рис. 75.5.

Следовательно, ионы каждого сорта (определяемого значением ) оставляют на пластинке след в виде узкой полоски. Зная параметры прибора, можно вычислить удельные заряды ионов. Поскольку заряды ионов явлйются целыми кратными элементарного заряда , по найденным значениям можно определить массы ионов.

В настоящее время имеется много типов усовершенствованных масс-спектрографов. Созданы также приборы, в которых ионы регистрируются не фотопластинкой, а с помощью электрического устройства. Они получили название масс-спектрометров.