Odkąd założyłem konto na Salonie24, zawsze myślałem, ze będę pisał notki na tematy bieżące, bo w pisaniu o tematach naukowych nie czuję się mocny. Jednak pod wpływem znanego wszystkim blogera, twierdzącego, ze atom zbudowany jest z elektrino i elektronów, postanowiłem napisać coś o dziedzinie, którą się na co dzień zajmuję czyli spektrometrią masową. Postanowiłem napisać, bo podczas pomiarów różnorodnych materiałów w moim laboratorium, bardzo łatwo się przekonać, że atom jest zbudowany
- z jadra, które dość ciężko rozbić
- i elektronów, z których część dość łatwo można z atomu wybić tworząc z atomów jony.
Zacznę od przestawienia jak wygląda budowa poszczególnych pierwiastków zgodnie z Układem Okresowym. Zacznijmy od tego, że w neutralnym atomie,
zawsze liczba protonów zgadza się z liczbą elektronów
Z tym, że protony są zawarte w jądrze atomowym, natomiast elektrony tworzą tzw. chmurę elektronową wokół jądra.
Drugą ważna rzeczą jest to, że jądra atomowe mogą zawierać również neutrony (nie posiadające ładunku).
Idąc od początku Układu Okresowego pierwiastków mamy następujące pierwiastki i ich izotopy. Wymienię tu tylko pierwiastki stabilne czyli nie radioaktywne i do tego tylko kilkanaście pierwszych.
|
|
PROTONY
|
NAUTRONY
|
LICZBA MASOWA
suma protonów i nautronów
|
|
WODÓR
|
1
|
0
|
1
|
|
deuter
|
1
|
1
|
2
|
|
tryt
|
1
|
2
|
3
|
|
HEL
|
2
|
2
|
4
|
|
LIT
|
3
|
3
|
6
|
|
LIT
|
3
|
4
|
7
|
|
BERYL
|
4
|
5
|
9
|
|
BOR
|
5
|
5
|
10
|
|
BOR
|
5
|
6
|
11
|
|
WĘGIEL
|
6
|
6
|
12
|
|
WĘGIEL
|
6
|
7
|
13
|
|
AZOT
|
7
|
7
|
14
|
|
AZOT
|
7
|
8
|
15
|
|
TLEN
|
8
|
8
|
16
|
|
TLEN
|
8
|
9
|
17
|
|
TLEN
|
8
|
10
|
18
|
|
FLUOR
|
9
|
10
|
19
|
|
…..
|
|
|
|
|
ALUMINIUM
|
13
|
14
|
27
|
|
KRZEM
|
14
|
14
|
28
|
|
KRZEM
|
14
|
15
|
29
|
|
KRZEM
|
14
|
16
|
30
|
Zatrzymałem się na krzemie ponieważ chciałbym przedstawić metodę spektrometrii masowej na postawie wyników pomiaru półprzewodnika Si (krzemu).
Jak widać z powyższej tabelki większość pierwiastków ma po kilka stabilnych izotopów, czyli atomów w których
jest jednakowa liczba protonów, ale różna liczba neutronów.
Pierwiastkiem, który ma na naszej planecie najwięcej stabilnych izotopów (10) jest znana wszystkim cyna. W mojej tabelce wyglądałaby ona tak:
|
|
PROTONY
|
NAUTRONY
|
LICZBA MASOWA
suma protonów i nautronów
|
|
CYNA
|
50
|
62
|
112
|
|
|
50
|
64
|
114
|
|
|
50
|
65
|
115
|
|
|
50
|
66
|
116
|
|
|
50
|
67
|
117
|
|
|
50
|
68
|
118
|
|
|
50
|
69
|
119
|
|
|
50
|
70
|
120
|
|
|
50
|
72
|
122
|
|
|
50
|
74
|
124
|
Przejdźmy teraz spektrometrii masowej.
Będę starał się przedstawić metodę jak najbardziej zrozumiale i bez używania jakichkolwiek wzorów.
Jak co nie którzy pamiętają z gimnazjum, jeżeli naładowaną cząstkę wpuścimy w pole magnetyczne, to tor tej cząstki będzie się zakrzywiał w zależności o tego jaką ma ona masę i jaki ma ładunek. Zakrzywienie to jest:
- tym większe im większy ładunek i
- tym mniejsze im większa masa.
Obie zależności są chyba łatwo zrozumiałe.
- im większy ładunek tym cząstka bardziej oddziałuje z polem magnetycznym.
- im większa masa tym większa bezwładność, tym trudniej zakrzywić lot cząstki.
I właśnie na podstawie tych dwóch zależności (w uproszczeniu) działa spektrometr masowy.
To co mierzymy w spektrometrze masowym, to właśnie
stosunek MASY do ŁADUNKU.
Teraz zastanówmy się jakie wartości może przyjmować ładunek a jaki masa.
ŁADUNEK
Ładunek elektronu ma określoną wartość w jednostkach C (Coulombach). Nie będę przytaczał tej wartości, żeby nie zaciemniać notki, każdy może sobie ją znaleźć w Wikipedii.
Przyjmijmy, że ładunek elektronu będzie miał wartość -1. (Taka ładna prosta wartość :)
Tak więc jeżeli atom będzie przyjmował elektrony (nie przyłączając jednocześnie protonów) to wartość jego ładunku będzie równa wielokrotności 1. Czyli np. Me(-), Me(-2), Me(-3) itd. – nadmiar elektronów.
Natomiast jeżeli atom zacznie oddawać elektrony (nie oddając jednocześnie protonów)
to wartość jego ładunku też będzie wielokrotnością 1, z tym, że ze znakiem dodatnim np. Me(+), Me(2+), Me(3+) itd. – nadmiar protonów.
MASA
Trochę trudniej jest z masą ale tutaj fizycy też ułatwili sobie trochę pracę. Podobnie jak ładunek i masę elektronu, tak i dokładną masę i protonu i neutronu w kilogramach, każdy z łatwością znajdzie na Wiki. Fizycy dla uproszczenia przyjęli jednostkę nazwaną
atomową jednostka masy (ang. amu – atomic mass unit)
Jest ona równa dokładnie 1/12 (jedna dwunasta) masy izotopu 12C. Czyli atomu, który jak widać z mojej tabelki ma 6 protonów i 6 neutronów.
Czyli masy izotopów poszczególnych pierwiastków będą z grubsza równe ich liczbom masowym w skali amu.
No to mamy ustalone jednostki teraz idziemy do aparatury i pomiaru.
Spektrometr masowy w dużym uproszczeniu wygląda tak jak na rysunku
Entrance slit – to miejsce gdzie jony wlatują - WEJŚCIE
Exit slit – to miejsce gdzie jony wylatują do detektora - WYJŚCIE
Magnet – elektromagnes wytwarzający potrzebne nam POLE MAGNETYCZNE
Aby atom mógł zostać przyspieszony i wpuszczony do spektrometru, musi stać się jonem, czyli musi posiadać ładunek, czyli musi oddać albo przyjąć elektron. Me+ lub Me-
Teraz załóżmy, że ustawiamy taką wartość pola magnetycznego że od wejścia do wyjścia przelecą nam jony wodoru H+ - czyli protony.
Co się stanie z lecącymi jednocześnie z nimi, jonami innych (cięższych pierwiastków). Mimo, że będą miały jednakowy ładunek, to ze względu na większą masę, pole magnetyczne nie zdoła zakrzywić ich toru lotu tak, aby trafiły do WYJŚCIA.
Teraz ustawmy pole magnetyczne tak, żeby przelatywały nam przez spektrometr jony węgla 12C. Lecące jednocześnie z nimi jony lżejsze (np. 4He-, 6Li-, 7Li-, 9B- itd) mimo że będą miały ten sam ładunek, ich mniejsza masa spowoduje, że będą zakrzywiane bardziej i nie trafią do WYJSCIĄ. Z jonami cięższymi będzie podobnie jak w przypadku wodoru. Cięższe od węgla nie zdołają zostać zakrzywione i nie trafią do WYJŚCIA.
Co teraz się stanie jeżeli będziemy wpuszczać do spektrometru jony uzyskane z jakiegoś materiału (np. Si) i będziemy płynnie zmieniać pole magnetyczne od najsłabszego do najmocniejszego. Otrzymamy taki oto wynik.
Jak widać widmo jest dyskretne. Zmienia się z grubsza co 1 AMU (atomową jednostkę masy) co bardzo dobrze się zgadza z tabelką która przytoczyłem na początku oraz z wartością mas poszczególnych izotopów wyrażoną w jednostkach AMU.
Mam nadzieje, że bardzo nie zagmatwałem. Oczywiście chętnie odpowiem na wszystkie pytania.
___________________________________________________________________________
Zastanawiałem się jakby takie widmo wyglądało, gdyby materiał była zbudowana z atomów zawierających elektrina. Niestety ciągle nie dowiedziałem się jakimi energiami bylibyśmy w stanie „uwolnić” te elektrina z jądra.
Jednocześnie p. Waldemar podał pewne parametry pierwiastków wynikające z jego teorii.
Weźmy taki krzem patrz notka:
http://manipulatorzy.salon24.pl/386492,pelny-rzad-napiec-niemetali
Jak można sprawdzić „waga atomowa pierwiastka” (jak rozumiem po prostu masa) według tej teorii wynosi ~28,04, natomiast jego „nadmierny ładunek” ~8,07e-21, czyli jest to 0,05 ładunku ładunku elementarnego. Jeżeli teraz podzielimy masę przez ładunek to otrzymamy wartość m/e = 555,74. W najbliższym czasie będę miał wizytę w laboratorium p. Janusza z Gorzowa i sprawdzimy, czy pokazują się jakieś piki przy tej masie. Ale jak widać piki pojawiają się co 1 amu więc wartości 555,74 z pewnością nie będzie.
Na moim widmie Krzem daje 3 piki (od każdego izotopu jeden) o m/e = 28, 29 i 30 zaznaczone czerwonym kółkiem. Zgodnie z tabelką przedstawioną na początku.
Podobnie można sprawdzić inne wartości wynikające z teorii p. Waldemara. Na przykład dla Węgla wychodzi wartość 175,4. I tu znowu końcówka 0,4.
