طیف سنج جرمی

به کمک طیف‌سنج جرمی، جرم مطلق اتم‌ها بدست می‌آید. این دستگاه اولین بار برای بررسی ایزوتوپ‌ها از مورد استفاده قرار گرفت. دستگاه‌هایی از این نوع توسط استون و دمپستر با پیروی از اصول روش‌هایی که تامسون ارائه کرده بود ساخته شد.

اگر عنصری شامل چند نوع اتم با جرم‌های متفاوت ( ایزوتوپ‌ها ) باشد ، این تفاوت در مقادیر e / m یا q/m یون‌های مثبت حاصل از این اتم‌ها پدیدار می‌گردد .

طیف نگار جرمی یون‌ها را بر حسب مقادیر نسبت بار به جرم ، از یکدیگر جدا می‌کند ، و سبب می‌شود که یون‌های مثبت متفاوت در محل‌های مختلف روی یک صفحه عکاسی اثر کنند . وقتی دستگاه کار می‌کند ، اتم‌های بخار ماده مورد مطالعه در معرض بمباران الکترونی قرار گرفته و به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند . این یون‌ها بر اثر عبور از یک میدان الکتریکی ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب پیدا می‌کنند . اگر ولتاژ این میدان ثابت نگهداشته شود ، تمام یون‌هایی که مقدار e / m مساوی دارند با سرعت مساوی وارد یک میدان مغناطیسی می‌شوند . این سرعت شعاع مسیر یون را در میدان مغناطیسی تعیین می‌کند .

اگر شدت میدان مغناطیسی و ولتاژ شتاب دهنده ثابت نگهداشته شوند ، تمام یون‌هایی که مقدار e / m مساوی دارند ، در یک محل بر روی صفحه عکاسی متمرکز می‌شوند ولی یون‌هایی که مقدار e / m متفاوت دارند در محلهای مختلف روی صفحه عکاسی متمرکز می‌شوند . هرگاه یک وسیله الکتریکی که شدت اشعه یونی را اندازه می‌گیرد ، جای‌گزین صفحه عکاسی شود ، دستگاه را طیف سنج جرمی می‌نامیم . با استفاده از طیف سنج جرمی می‌توان هم جرم اتمی دقیق ایزوتوپ‌ها و هم ترکیب ایزوتوپی عناصر ( انواع ایزوتوپ‌های موجود و مقدار نسبی هر یک ) را تعیین کرد .

 درواقع طرز کار طیف سنج جرمی، مانند لامپ اشعه‌ کاتدی است که تامسون از آن بهره گرفت و نسبت بار به جرم الکترون را به دست آورد.

پس وقتی که یک یون با بار الکتریکی معلوم e و جرم m با سرعت v وارد یک میدان مغناطیسی می‌شود ، از مسیر مستقیم خود منحرف می‌شود و مسیرش هلال یا دایره‌ای می‌شود که شعاع آن r می‌باشد. مقدار r از رابطه زیر بدست می‌آید: (1) r=mv/He که در آن H شدت میدان مغناطیسی است.همانطور که از رابطه بالا مشخص است هر چه شدت میدان و بار الکتریکی ذره بیشتر باشد r کوچکتر می‌شود. کوچکتر شدن r به معنای بیشتر شدن انحراف از مسیر مستقیم است. از طرف دیگر چون r با m , v رابطه مستقیم دارد پس هر چه سرعت و جرم ذره بیشتر باشد انحراف ذره کمتر می‌شود. اگر رابطه فوق را کمی جابجا کنیم رابطه زیر بدست می‌آید: (2) e/mv=1/Hr می‌توان مقدار r را برای انحراف اشعه کاتدی در یک میدان مغناطیسی با شدت معین معلوم کرد و از آنجا توانست مقدار e/mv را بدست آورد. اما برای بدست آوردن e/m باید مقدار v را نیز معین کرد. یکی از روشهایی که تامسون برای پیدا کردن مقدار v به کار برد مطالعه‌ی اشعه‌ی کاتدی در لامپی بود که در امتداد آن میدانهای الکتریکی و مغناطیسی همزمان و عمود بر هم برقرار شده بود. طبق روابط فیزیک وریاضی سرعت الکترون از رابطه زیر بدست می‌آید: V=E/H (3) که در آن E شدت میدان الکتریکی و H شدت میدان مغناطیسی است.با قرار دادن رابطه (3) در فرمول (2) رابطه زیر بدست آورد:

e/m=E/(H**2)r .

با معلوم بودن بار الکتریکی و دانستن سایر پارامترهای مربوط به آزمایش می‌توان جرم یونها در طیف‌سنج جرمی را بدست آورد.

روش کار دستگاه:

اصول طیف سنجی جرمی

به بیان ساده ، طیف سنج جرمی سه عمل اساسی را انجام می‌دهد:

مولکولها توسط جرایاناتی از الکترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند.


یونهای شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی جدا می‌گردند.


یونهای دارای نسبت بار/جرم مشخص و معین توسط بخشی از دستگاه که در اثر برخورد یونها به آن ، قادر به شمارش آنها است، آشکار می‌گردند. نتایج داده شده خروجی توسط آشکار کننده بزرگ شده و به ثبات داده می‌شوند. علامت یا نقشی که از ثبات حاصل می‌گردد یک طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشکار شده بر حسب تابعی از نسبت بار/جرم.

دستگاه طیف سنج جرمی
هنگامی که هر یک از عملیات را بدقت مورد بررسی قرار دهیم، خواهیم دید که طیف سنج جرمی واقعا پیچیده‌تر از آن چیزی است که در بالا شرح داده شد.

سیستم ورودی نمونه
قبل از تشکیل یونها باید راهی پیدا کرد تا بتوان جریانی از مولکولها را به محفظه یونیزاسیون که عمل یونیزه شدن در آن انجام می‌گیرد، روانه ساخت. یک سیستم ورودی نمونه برای ایجاد چنین جریانی از مولکولها بکار برده می‌شود. نمونه‌هایی که با طیف سنجی جرمی مورد مطالعه قرار می‌گیرند، می‌توانند به حالت گاز ، مایع یا جامد باشند. در این روش باید از وسایلی استفاده کرد تا مقدار کافی از نمونه را به حالت بخار در آورده ، سپس جریانی از مولکولها روانه محفظه یونیزاسیون شوند.

در مورد گازها ، ماده ، خود به حالت بخار وجود دارد. پس ، از سیستم ورودی ساده‌ای می‌توان استفاده کرد. این سیستم تحت خلاء بوده، بطوری که محفظه یونیزاسیون در فشاری پایینتر از سیستم ورودی نمونه قرار دارد.

روزنه مولکولی
نمونه به انبار بزرگتری رفته که از آن ، مولکولهای بخار به محفظه یونیزاسیون می‌روند. برای اطمینان از اینکه جریان یکنواختی از مولکولها به محفظه یونیزاسیون وارد می‌شود، قبل از ورود ، بخار از میان سوراخ کوچکی که "روزنه مولکولی" خوانده می‌شود، عبور می‌کند. همین سیستم برای مایعات و جامدات فرار نیز بکار برده می‌شود. برای مواد با فراریت کم ، می‌توان سیستم را به گونه‌ای طراحی کرد که در یک اجاق یا تنور قرار گیرد تا در اثر گرم کردن نمونه ، فشار بخار بیشتری حاصل گردد. باید مراقب بود که حرارت زیاد باعث تخریب ماده نگردد.

در مورد مواد جامد نسبتا غیر فرار ، روش مستقیمی را می‌توان بکار برد. نمونه در نوک میله‌ای قرار داده می‌شود و سپس از یک شیر خلاء ، وارد محفظه یونیزاسیون می‌گردد. نمونه در فاصله بسیار نزدیکی از پرتو یونیزه کننده الکترونها قرار می‌گیرد. سپس آن میله ، گرم شده و تولید بخاری از نمونه را کرده تا در مجاورت پرتو الکترونها بیرون رانده شوند. چنین سیستمی را می‌توان برای مطالعه نمونه‌ای از مولکولهایی که فشار بخار آنها در درجه حرارت اتاق کمتر از 9 - 10 میلیمتر جیوه است، بکار برد.

محفظه یونیزاسیون
هنگامی که جریان مولکولهای نمونه وارد محفظه یونیزاسیون گشت ، توسط پرتوی از الکترونهای پرانرژی بمباران می‌شود. در این فرآیند ، مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل گشته و سپس در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند. در محفظه یونیزاسیون پرتو الکترونهای پرانرژی از یک "سیم باریک" گرم شده ساطع می‌شوند. این سیم باریک تا چند هزار درجه سلسیوس گرم می‌شود. به هنگام کار در شرایطی معمولی ، الکترونها دارای انرژی معادل 70 میکرون - ولت هستند.

این الکترونهای پرانرژی با مولکولهایی که از سیستم نمونه وارد شده‌اند، برخورد کرده و با برداشتن الکترون از آن مولکولها ، آنها را یونیزه کرده و به یونهای مثبت تبدیل می‌کنند. یک "صفحه دافع" که پتانسیل الکتریکی مثبتی دارد، یونهای جدید را به طرف دسته‌ای از "صفحات شتاب دهنده" هدایت می‌کند. اختلاف پتانسیل زیادی (حدود 1 تا 10 کیلو ولت) از این صفحات شتاب دهنده عبور داده می‌شود که این عمل ، پرتوی از یونهای مثبت سریع را تولید می‌کند. این یونها توسط یک یا چند "شکاف متمرکز کننده" به طرف یک پرتو یکنواخت هدایت می‌شوند.

بسیاری از مولکولهای نمونه به هیچ وجه یونیزه نمی‌شوند. این مولکولها بطور مداوم توسط مکنده‌ها یا پمپهای خلا که به محفظه یونیزاسیون متصل نیستند، خارج می‌گردند. بعضی از این مولکولها از طریق جذب الکترون به یونهای منفی تبدیل می‌شوند. این یونهای منفی توسط صفحه دافع جذب می‌گردند. ممکن است که بخش کوچکی از یونهای تشکیل شده بیش از یک بار داشته باشند، (از دست دادن بیش از یک الکترون) اینها مانند یونهای مثبت تک ظرفیتی ، شتاب داده می‌شوند.

پتانسیل یونیزاسیون
انرژی لازم برای برداشتن یک الکترون از یک اتم یا مولکول ، پتانسیل یونیزاسیون آن است. بسیاری از ترکیبات آلی دارای پتانسیل یونیزاسیونی بین 8 تا 15 الکترون ولت هستند. اما اگر پرتو الکترونهایی که به مولکولها برخورد می‌کند، پتانسیلی معادل 50 تا 70 الکترون ولت نداشته باشد، قادر به ایجاد یونهای زیادی نخواهد بود. برای ایجاد یک طیف جرمی ، الکترونهایی با این میزان انرژی برای یونیزه کردن نمونه بکار برده می‌شوند.

برگرفته از سایت تبیان