Összeállította: Sarkadi Dezső
Tartalomjegyzék
1.
Bevezetés
2. A tömegspektrométer
A jelen kiegészítés a "Semleges atomok elmélete" című dolgozatomhoz kapcsolódik. Mivel ez a munkám inkább elméleti jellegű, kikapcsolódásként itt az atomtömegek kísérleti meghatározásával foglalkozunk. Az atomi tömegek mérésének mindmáig legpontosabb eszköze a tömegspektrométer, melynek alapelvét már kb. 100 éve ismerik, de igazán a húszas, harmincas években fejlődött a gyakorlatban is használható eszközzé. Talán nem egészen köztudott, de az atomenergia felismerésében és magának az atombombának a megvalósításában központi szerepet játszott a tömegspektrométer. A tömegspektrometriás atomtömeg mérések eredményei és Einstein tömeg-energia képlete képezte alapját az atomenergia felszabadításának elvi lehetőségéhez. Az első atombombák elkészítéséhez (melyek ugyan sajnálatos "sikerek" voltak) nagy töménységű Urán-235-ös izotópra volt szükség, ennek leválasztásához a közönséges uránból szintén olyan berendezésekre volt szükség a kezdetekben, amelyek a tömegspektrométer elvén működtek. Ma már a tömegspektrométert a fizikai méréseken kívül nagyon elterjedten használják a kémiában, kémiai analízis és molekula-szerkezet kutatásban.
Egy különlegesen hasznos felhasználási terület: az atomerőművekben használt nukleáris üzemanyagok izotóp összetételét speciális kivitelű tömegspektrométerekkel határozzák meg, amelyek ismerete lehetővé teszi a nukleáris üzemanyagok optimális tervezését és ezzel a gazdaságos és biztonságos felhasználását.
A tömegspektrométer atomok, molekulák tömegének
nagy pontosságú meghatározására alkalmas eszköz. Működési vázlatát az 1. ábra
mutatja. Az ábrán látható, hogy a berendezés egy vákuumra leszívott csőből áll,
amelynek baloldali végén juttatjuk be a vizsgálandó anyagot, gáz, vagy elpárologtatott
formában. Az elektromosan fűtött katód elektronokat bocsát ki magából és az
elektronokat a pozitív anód erősen felgyorsítja. Ezek a gyors elektronok beleütköznek
az elpárologtatott anyag atomjaiba, molekuláiba és ezeket ionizálják, a molekulákat
akár alkotórészükre is bonthatják. A vákuumcsőben bal oldalon láthatók továbbá
az anyagminta ionjait gyorsító és fókuszáló elektródák, amelyekre kapcsolt magas
feszültség nagy sebességű ion-csóvát hoz létre. Az elektromosan töltött ion-csóva
tovább repül a csőben, amelyet egy szabályozható erősségű elektromágnes mágneses
tere eltérít. Az eltérítés mértéke a mágneses tér erősségétől és az ionok töltés/tömeg
arányától függ. A vákuumcső jobb oldali végén (a rajzon alsó jobb oldai részén
látható) egy töltés-érzékeny detektor van, melynek felerősített árama arányos a
becsapódó ionok számával.
Ha az eltérítő elektromágnes áramát finoman változtatjuk, a detektor áramában csúcsokat
tapasztalunk, minden egyes áramcsúcs megfelel egy-egy atomfajtának (azaz izotópnak),
vagy molekula alkotórésznek. A mágneses tér erősségéből az izotóp (molekula-ion)
tömege pontosan meghatározható. Az áramcsúcsok nagysága arányos a beadott anyagmintában
lévő izotóp mennyiségével, tehát a tömegspektrométer alkalmas különböző
anyagok vegyi-, izotóp összetételének, az egyes alkotóelemek részarányának meghatározására
is.
1. ábra: A tömegspektrométer működési vázlata
A mai tömegspektrométerek teljesen automatizáltak, az iongyorsító feszültséget és az elektromágneseket nagy precizitású elektronika szabályozza. Az eredmények feldolgozásához számítógépet alkalmaznak, így egy ismeretlen, csekély mennyiségű anyagminta analízise perceken belül végrehajtható. Kisméretű automatikus tömegspektrométerket használnak olyan mesterséges égitesteken, melyek például a napszél izotóp összetételét, vagy a Naprendszer bolygóinak légkörét vizsgálják. Egy mai, modern tömegspektrométer fényképét láthatjuk a 2. ábrán:
2. ábra: Egy modern, nagyteljesítményű tömegspektrométer
A közönséges víz tömegspektruma (kémiai alkalmazás):
3. ábra: A közönséges víz tömegspektruma
További érdekes információkról és
alkalmazásokról olvashatunk a következő Internet címen (angol nyelven): http://www.jeol.com/ms/ms.html
Befejezésül minden Kedves Érdeklődőnek sok szerencsét és sikert kívánok az atomi
világ megismerésében.
Sarkadi Dezső fizikus
7030 Paks, Kishegyi út 16.
Telefon: 75 / 507898
E-mail: pend@eudoramail.com
2002 január
