Зарядталға н бөлшектердің массасын анықтау. Масс-спектроскопия

Я роны сипаттайтын шамалардың ең маңыздыларының бірі – масса. Ядро массасы жоғарыда айтылғандай массаның атомдық бірлікпен (м.а.б) өлшеген ыңғайлы. Ол халықаралық жүйеде 1,66

10^-27кг мəнге сəйке келеді. Атом ядросының массалары оны

құрау шылардың (протон, нейтрон) массаларының қосындысына тең емес, одан бір шама кіші болады:

дененің E=mc² энергиясы болады. Ядроның қозғ лған күйдегі энергиясы оның нег згі күйдегі эн ергиясынан жоғары болады.

Я ролық физикада массаны өлшеудің бірнеше түрлі əдістері

жарықшақтардың мə ні зор. Сол үшін зарядталған бөлшектердің массасын анықтауды физикалық əдістерін қарасты айық.

~ 266 ~

Масс-спектроскопия əдісін алғаш рет Томсон ұсынып, Астон мен Демпстер жетілдірді. Бұл əдіс бойынша алдымен атомның (ионның) массасы анықталып, ядроның массасы мен атом құрамындағы электрондардың массаларының қосындысы түрінде анықталады.

7.9-сурет

7.9-суретте масс-спектрометрдің схемасы келтірілген. Иондық көзде (ИК) зерттелетін заттың атомдары иондалып, иондар əлсіз электр өрісінің көмегімен Д диафрагманың саңылауынан сорылып шығарылады. Олардың жылдамдықтары жоқтың қасы. Шығарылған иондар Д мен Д2 диафрагмалардың арасында кернеуі бірнеше ондаған КЭИ-қа дейін жететін электр өрісінде үдетіледі.

Үдетілген бір зарядты иондар үшін, олардың кинетикалық энергиясы

m ² _eU

Ал жылдамдығы

2 eU

m

мұндағы, U, D1 мен D2 диафрагмаларының потенциалдар айырмасы, m - ионның массасы.

~ 267 ~

(7.11.2)

(7.11.3)

арасындағы

Үдетілген иондар бір-бірімен қарама-қарсы əсер ететін, сұрыптаушы электр жəне магнит өрістері арқылы өтеді. Ол өрістен бұрылмай өту үшін

шарты орындалу керек. Осындай сұрыпталған иондар, иондардың қозғалыс бағытына перпендикуляр магнит өрісінде орналасқан вакуумдық камера арқылы өткізіледі. Камерада бөлшектер шеңбер бойымен қозғалады. Шеңбер бойымен қозғалатын бөлшек үшін оған магнит өрісінің əсер күші қажет, ол центрге тартқыш күшке тең болу керек:

Осыған (7.11.3) формуладағы жылдамдықтың мəнін қойсақ, онда

Бұдан берілген электр өрісінің U жəне магнит өрісінің индукциясы B үшін ионның траекториясының қисықтық радиусы, оның массасы мен электр зарядының қатынасына тəуелді. Траекторияның осы есептелген радиусы, камераның орташа радиусына тең, бөлшектер ғана D4–диафрагманың саңылауы арқылы өтіп, тіркегіншке (С) тиеді. Үдеткіштегі өріс кернеуін (U) немесе магнит өрісінің индукциясын (В) өзгертсек, тіркегішке массалары өзгеше иондар келіп соқтығысады.

Егер тіркегіш пен D4 диафрагманың орнына фотопленка немесе сезгіш тіркегіш қойсақ, оның əр жері массалары əртүрлі бөлшектерді тіркейді.

Қазіргі кездегі масс-спектрометрлердің ажыратқыш қабілеті өте жоғары. Олар массалар айырмашылықтары 10^-7/10^-6а.м.б.-тен кем емес дəлдікке дейін анықтай алады.

~ 268 ~

Осы масс-спектрометр орнықты ядролардың, өмір сүру уақыты ұзақ ядролардың массаларын анықтауға ыңғайлы. Ол ядролық реакциялар кезінде пайда болған, өмір сүру уақыты қысқа жəне бастапқы жылдамдықтары белгісіз жəне əртүрлі ядролар мен қарапайым бөлшектердің массаларын анықтауға ыңғайсыз. Ондай жағдайда ұшу уақыттық деп аталатын спектрметрлер пайдаланылады.

7.10-сурет

Оның жұмыстық сұлбасы 7.10-суретте көрсетілген. Мұнда да сұрыптау үшін көлденең магнит өрісі қолданады. Магнит өрісінен (В) өткен бөлшектердің бұрылу бұрышы (кішкене):

(7.11.5)-ескерсек, онда бұрылу бұрышы:

(7.11.7)

Яғни, магнит өрісінен өткен бөлшектің бұрылу бұрышын оның импульсы анықтайды. Берілген бұрышқа бұрылған бөлшектерді тіркеу арқылы импульстары белгілі бөлшектерді сұрыптап алуға болады. Одан кейін бөлшектің S1 жəне S2 детекторлары арқылы өткен уақыттарының айырмасы ∆t, бөлшектің жылдамдығын анықтау мүмкіндігін береді:

~ 269 ~

^L

t

мұндағы, L, S жəне S2 бөлшектің траекториясының бойымен алынған детекторларының арақашықтығы ∆t уақытты, осцилографтың көмегімен өлшеуге болады. Импульс пен жылдамдық белгілі болса, бөлшектің массасын салыстырмалы теория бойынша табуға болады:

Қарапайым бөлшектердің массаларын ядролық əрекеттесуге тəн құбылыстарды пайдалана отырып анықтауға болады.

Ядролық реакциялардың энергиясын талдау арқылы, реакцияға қатысатын ядролардың біреуінің массасын анықтау үшін, қалған ядролардың массалары дəл анықталған болуы керек жəне бөлшектердің реакцияға дейінгі жəне одан кейінгі кинетикалық энергияларын өлшеп,

А+В С+Д

oсы реакция үшін А, В, С ядролардың массалары жəне кинетикалық энергиялары белгілі болсын. Сонда бұл реакция энергияның сақтау заңы бойынша

Бұдан

(m_A m_B m_C m_Д) с ² T_C T_Д T_A T_B Q

~ 270 ~

мұндағы, Q-шамасы ядролық реакцияның энергиясы деп аталады. Көп жағдайларда реакция энергиясын анықтау үшін ТВ, ТС немесе ТД белгілі болса, онда нысанадағы А ядро тыныштық күйде (ТА=0) болады, ал ТД мен ТС энергиясын импульс пен энергияның сақтау заңына сүйеніп табуға болады.

Альфа ыдырауға қатысатын ядролардың массаларын, ыдыраудың энергиялық теңдігінен табуға болады. Альфа ыдырау кезінде, аналық ядро жеңіл 2H⁴ ядросын бөліп шығарады.

m 5 10 ⁶ м.а.б. дəлдікпен анықтауға болады.

Бета ыдырау кезінде ұрпақ ядросының массасын β-ыдыраудың энергиялық байланысынан табуға болады. Бета ыдырауда:

шартын қанағаттандырады. Бұл шарт орындалса, ядро электрон мен антинейтрин немесе позитрон мен нейтрин бөліп шығарады. Сонда ыдырау энергиясы:

Ядроның бета-ыдырауының энергия балансына сүйеніп, анықталған массаларының дəлдігі де m 5 10^-6 м.а.б. болады.

Микротолқындық радиоспектроскопия ядро массасын анықтаудың ең дəл əдістерінің бірі. Ол молекулалардың ротациялық деңгейлерінің, оның массасы өзгерген кездегі, жылуын өлшеуге негізделген.

Молекулалардың ротациялық (айналмалық) деңгейлерінің түзілісі оның инерция моментімен анықталады, яғни оны құраушы атомдардың массаларына тəуелді. Егер молекуланың құрамындағы атомдардың біреуін сол элементтің басқа изотобының атомымен ауыстырсақ, онда молекуланың келтірілген массасы, яғни оның инерция моменті өзереді. Инерция моментінің өзгерісі молекуланың ротациялық спектрінің аздап жылжуын туғызады. Осы жылжудың мөлшерімен ауыстырылған атомдардың массаларының қатынасын табуға болады.

Радиоспектроскопиялық əдіс бойынша ядролардың масса-ларының қатынасы:

салыстырмалы дəлдікпен өлшеуге мүмкіндік береді.