§ 67. Определение удельного заряда положительных ионов. Масс-спектрографы

Описанные в предыдущем параграфе методы опреде­ления ё\т пригодны в том случае, если все частицы в пучке имеют одинаковую скорость. Все образующие пучок электроны разгоняются одинаковой разностью потенциалов, приложенной между катодом, из которого они вылетают, и анодом; поэтому разброс значений ско­ростей электронов в пучке очень мал. Если бы это было не так, электронный пучок давал бы на экране сильно размытое пятно, и измерения были бы невозможны.

Положительные ионы образуются за счет ионизации молекул газа, например, при газовом разряде (см. § 84). Возникая в разных местах, ионы проходят неодинако­вую разность потенциалов, вследствие чего их скорости бывают различными. Таким образом, методы, которыми был определен удельный заряд электронов, к ионам не­применимы. В 1907 г. Томсоном был разработан «метод парабол», который позволил обойти отмеченное затруд­нение.

В опыте Томсона тонкий пучок положительных ионов проходил через область, в которой на него одновременно воздействовали параллельные друг другу электриче­ское и магнитное поля (рис. 128). Оба поля были одно­родными и образбвывали с первоначальным направле­нием пучка прямой угол. Они вызывали отклонения ио­нов: магнитное — в направлении оси х, электрическое —■

вдоль оси у. Согласно формулам (65.4) и (65.3) эти от­клонения были равны

где v — скорость данного иона с удельным зарядом е'/т, 1\ — протяженность области, в которой поля действуют на пучок, 12— расстояние от границы этой области до фотопластинки, регистри­ровавшей попадавшие на нее ионы.

Величины (67.1) пред­ставляют собой коор­динаты точки, в которой попадает на пластинку ион, имеющий данное значение е'/т и величину скорости v. Ионы с оди­наковым удельным за­рядом, но различными скоростями попадали в разные точки пластинки. Исключив из формул (67.1) скорость v, полу­чим уравнение кривой, вдоль которой располагались следы ионов с одним и тем же значением е'/т. Воз­ведя первое из уравнений (67.1) в квадрат и разделив затем его на второе, после преобразований получим

Таким образом, ионы с одинаковыми е'/т и различ­ными v оставляли на пластинке след в виде параболы. Ионы с различными е'/т располагались вдоль разных парабол. Зная параметры прибора (т. е. Е, В, /( и 12) и измеряя смещения у и х, можно было по формуле (67.2)] находить удельный заряд ионов, соответствующих каж­дой параболе. При изменении направления одного из полей соответствующая координата изменяла знак на обратный, так что получались параболы, симметрич­ные   прежним.   Деля    пополам   расстояние между

соответствующими точками симметричных парабол, можно было находить х и у. След, оставляемый на пла­стинке пучком при выключенных полях, давал начало

координат. На рис. 129 показаны первые параболы, полученные Томсоном.

Произведя опыт с химически чистым нео­ном, Томсон обнару­жил, что этот газ давал две параболы, со­ответствовавшие атом­ным весам 20 и 22. Попытки объяснить этот результат привели к предположению о том, что существуют две химически нераз­личимые разновид­ности атомов неона (по современной терминологии — два изотопа неона). Доказательство этого предполо­жения было дано Астоном, усовершенствовавшим метод определения удельного заряда ионов.

Прибор Астона, названный им масс-спектро­графом, имел следующее устройство (рис. 130). Пучок

 

ионов, выделенный системой щелей, пропускался после­довательно через электрическое и магнитное поля, на­правленные так, что они вызывали отклонения ионов в противоположных направлениях. При прохождении электрического поля ионы с данным ё\т отклонялись

тем сильнее, чем меньше была их скорость. Поэтому из электрического поля ионы выходили в виде расходя­щегося пучка. В магнитном поле траектории ионов так­же искривлялись тем сильнее, чем меньше была их скорость. В результате после выхода из магнитного поля ионы образовывали пучок, сходившийся»в одной точке.

Ионы с другими значениями удельного заряда фо­кусировались в других точках (на рис. 130 показаны

траектории ионов лишь для одного значения е'/т). Со­ответствующий расчет дает, что точки, в которых схо­дятся пучки, образованные ионами с различными е'/т, лежат приблизительно на одной прямой. Располагая вдоль этой прямой фотопластинку, Астон. получал на ней ряд штрихов, каждый из которых соответствовал определенному значению е'/т. Сходство получавшегося на пластинке изображения с фотографией оптического линейчатого спектра послужило причиной того, что Астон назвал его масс-спектрограммой, а свой при­бор— масс-спектрографом. На ,рис. 131 приведе­ны полученные Астоном масс-спектрограммы (против штрихов указаны массовые числа ионов).

Бейнбридж создал прибор другого типа. В масс-спектрографе Бейнбриджа (рис.- 132) пучок ионов про­ходит сначала через так называемый селектор (или фильтр) скоростей, который выделяет из пучка ионы

с определенным значением скорости. В селекторе ионы подвергаются одновременному действию взаимно пер­пендикулярных электрического и магнитного полей, каждое из которых отклоняет ионы в противоположные стороны. Через выходную щель селектора проходят только те ионы, для которых действия электрического и магнитного полей компенсируют друг друга. Это проис­ходит при условии, что е'Е = e'vB. Следовательно, ско­рости вышедших из селектора ионов, независимо от их

массы и заряда, имеют одинаковую величину, равную i>.= Е/В.

Выйдя из селектора, ионы попадают в область пер­пендикулярного к их скорости однородного магнитного поля с индукцией В'. В этом случае ионы движутся по окружностям, радиусы которых согласно (64.2) за­висят от е'/т:

 

Описав половину окружности, ионы попадают на фотопластинку на расстояниях от щели, равных 2R. Сле­довательно, ионы каждого сорта (определяемого зна­чением е'/т) оставляют на пластинке след в виде узкой полоски. Зная параметры прибора, можно, вычислить удельные заряды ионов. Поскольку заряды ионов яв­ляются целыми кратными элементарною заряда е, по найденным значениям е'/т можно определить массы ионов.

В настоящее время имеется много типов усовершен­ствованных масс-спектрографов. Созданы также прибо­ры, в которых ионы регистрируются не фотопластинкой, а с помощью электрического устройства. Они получили название мае с -спектрометров.