Машины для сортировки атомов
Особенности движения заряженных частиц в магнитных полях позволили разработать весьма точные методы определения масс этих частиц.
Конечно, проще было бы, например, взвешивать частицу. Но такие весы пока не придумали, а главное, чтобы взвесить частицу, надо ее остановить. А как это сделать? Поэтому массу частицы приходится определять на лету, по крутизне ее разворота в магнитном поле. Ведь отклонение заряженных частиц в магнитном поле зависит только от отношения заряда частицы к ее массе, т. е. от удельного заряда q/m. Значит, если пропустить пучок заряженных частиц, например положительных ионов, через магнитное поле перпендикулярно линиям индукции, то на экране частицы, обладающие одинаковыми скоростями, но разными отношениями заряда к массе, попадут в разные точки. Каждый тип атомов дает свои метки, и мы можем даже оценить пропорции составляющих вещество атомов по плотности меток.
По аналогии с оптикой изображение, получаемое на экране, называют спектром. Это подсказывает подходящее название прибора, который дает развернутую запись масс атомов, — масс-спектрограф. Оптический спектрограф дает спектр длин волн светового потока, масс-спектрограф — распределение частиц по массам, т. е. спектр масс пучка частиц.
Рассмотрим следующую систему. Это масс-спектрограф с двойной фокусировкой. Основа прибора — вакуумная камера, помещенная в магнитное поле. В нее через узкую входную щель влетают исследуемые ионы. Получить положительные ионы можно за счет ионизации атомов при газовом разряде. Для этого катод газоразрядной трубки делают в виде диска с отверстиями. Образующиеся при разряде ионы, ускоряясь полем катода, проникают через отверстия, имеющиеся в катоде, образуя пучки так называемых каналовых лучей.
В пролетной камере, конденсаторе, ускоренный пучок ионов попадает под действие скрещенных электрического и магнитного полей, каждое из которых отклоняет ионы в противоположные стороны.
Масс-спектрограф сыграл важную роль в развитии атомной и ядерной физики. Он позволил обнаружить существование изотопов различных элементов и определить массы их атомов. Оказалось, что представители одного и того же порядкового номера периодической системы элементов Менделеева могут иметь неодинаковую массу, что каждый химический элемент природа создала в нескольких вариантах. Эти варианты химических элементов назвали изотопами (от греческих слов «изос» — одинаковый и «топос» — место). Изотопы — это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Но нейтроны — это тяжелые частицы, такие же примерно, как протоны. Следовательно, массы ядер изотопов разные и их траектории при движении в магнитном поле тоже различны. В вакуумной камере под действием магнитного поля они двигаются по орбитам, соответствующим их массам. И если взвешиваемые атомы состоят из смеси изотопов, то на фотопластинке, поставленной на их пути, можно наблюдать почернения в тех местах, где на нее попадают частицы разной массы. Число пятнышек соответствует числу изотопов. А абсолютный вес атомов каждого изотопа можно найти, зная положение соответствующего пятнышка на фотопластинке. В сильном магнитном поле могут быть разделены даже очень «похожие» изотопы-близнецы. Так физикам удалось исследовать почти все химические элементы.
Читайте также:
- Качественная мойка фасадов
- Роды заграницей: выбираем лучшие роддомы
- Ледоступы как лучшая защита от гололеда
- Открытые бассейны
- Винтовые сваи — альтернатива традиционному фундаменту
Понравилась статья? Вы можете её распечатать, отправить по почте или поделиться с друзьями в соцсетях: