§ 173. Масс-спектрограф

Из основного уравнения движения заряженной частицы

очевидно, что ее траектория определяется отношением заряда к массе Поэтому исследование отклонения частицы в электрическом и магнитном полях может быть использовано для нахождения Так как начальная скорость движения частицы не известна, то не может быть найдено измерением отклонения в одном электрическом или одном магнитном поле. Действительно, всматриваясь в общие формулы, которые были выведены в § 167 для отклонения в электрическом и магнитном полях, мы видим, что траектория определяется коэффициентами, в которые входят и и начальная скорость. Задача решается использованием отклонения одной и той же частицы как в магнитном, так и в электрическом поле.

В простейшем случае достаточно уравновесить электрическое отклонение магнитным. Для этого надо расположить поля так, как показано на рис. 204. Заряженные частицы не будут отклоняться при условии Из этого опыта находится скорость частицы. Далее можно воспользоваться либо одним электрическим, либо одним магнитным отклонением; по величине отклонения от прямолинейного пути можно рассчитать

Измерения имеют большое значение в атомной физике как средство определения массы частиц (если заряд известен). Особенно большое значение имеют измерения масс ионов. Прибор, в котором пучок частиц разделяется по массам и состав частиц по массам может быть исследован, называется масс-спектрографом.

Схема этого прибора показана на рис. 205. Идея его, предложенная Астоном, заключается в следующем. В электрическое поле конденсатора поступают частицы с разными значениями скоростей.

Выделим мысленно группу частиц с одинаковыми Поток этих частиц попадает в электрическое поле и расщепляется: быстрые частицы отклонятся в электрическом поле меньше, медленные — больше. Веер этих частиц поступает теперь в магнитное поле, перпендикулярное к чертежу. Оно включено так, чтобы отклонять частицы в противоположную сторону.

Рис. 204.

И здесь быстрые частицы будут отклоняться меньше, а медленные — больше. Отсюда следует, что в какой-то точке, лежащей за пределами поля, выделенный нами мысленно пучок одинаковых частиц опять соберется в одну точку — сфокусируется.

Частицы с иным значением также соберутся в точку, но в другую. Расчет показывает, что фокусы для всех расположатся весьма близко к некоторой прямой.

Рис. 205.

Если вдоль этой прямой расположить фотографическую пластинку, то частицы каждого сорта дадут знать о себе отдельной линией.

Если масс-спектрограф выполнен с большой тщательностью, то его разрешающая способность будет весьма велика и он сможет обнаружить присутствие очень близких изотопов. На первый взгляд это может показаться несущественным — массы изотопов различаются по крайней мере на единицу атомного веса. Но ведь на единицу различаются изотопы одного и того же химического элемента, разные же изотопы разных элементов (например, могут

отличаться по массе весьма незначительно. Кроме того, важно иметь возможность определять массу сложных ионов. Подобные проблемы возникают, например, при химическом анализе газовых смесей. Тогда близкими по массе могут оказаться разные частицы, например или Все эти задачи с успехом решаются с помощью масс-спектрографа.