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          山東化學化工學會

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          原子這么小,它的質量是怎么得到的?質譜儀造

          瀏覽次數: 342   發布時間:2018-05-07 14:02:31   發布人:editor

             原子是元素能保持其化學性質的最小單位。20世紀以前,科學家們認為原子是不可分割的,但是實際上原子也是可以分割的,一個完整的原子由原子核和核外電子組成,原子核又由質子和中子構成。再進一步,質子和中子由不同的夸克構成。這里我們對此不做深究。

            一般原子的直徑在10-10m數量級,質量在10-27kg這個數量級,直接測量原子的質量是不現實的。當然,原子的相對質量用"相對原子量"這個單位可以很方便地表示,但是我們也不能總是一直使用相對原子量,偶爾我們還是要知道原子的絕對質量的,那么問題就來了,原子這么小,質量這么輕,它的精確質量是如何獲得的呢?

            

          原子這么小,它的質量是怎么得到的?質譜儀造就特殊“天平”

           

            這么小的質量當然不可能用普通的天平來稱量了。事實上,最精密的天平(德國生產的"4108 型"天平)的精度也只能達到0.01微克的精度,大概相當于10-11Kg,這其實已經相當的精密了,完全能滿足各種生產生活的需求,但是還遠遠不能達到原子的質量所要求的精度。其實原子的質量不是直接得到的,原子的質量是用一種叫做質譜儀的儀器測量出來的。質譜儀這個儀器本身的用處很多,并不僅限于測量原子的質量。本文主要介紹一下這個質譜儀到底是怎么測量原子的質量的。

            質譜儀最初是由約瑟夫·約翰·湯姆遜在1912年發明的,如下圖所示,可以看出質譜儀的這個原型很簡陋,但是它的基本原理卻和現在很高級的質譜儀是一樣的。

            

          原子這么小,它的質量是怎么得到的?質譜儀造就特殊“天平”

           

            質譜儀的原理圖如下:

            

          原子這么小,它的質量是怎么得到的?質譜儀造就特殊“天平”

           

            如圖所示,是一個質譜儀的主要部分,原子樣品從左邊進入質譜儀,然后被離子化(常見的離子化方式有電子轟擊,化學電離等),在這過程中,原子要么被添加幾個電子而帶負電,要么被剝離幾個電子而帶正電,而帶了電的原子也被稱作"離子"。變成離子的原子樣品因為帶電,進入電場之后被加速,等到離開電場之后就具有了一定的速度。然后這些離子被送入具有磁場的腔室,然后具有不同質量的離子會出現不同的路徑,通過精確估計這些離子的路徑和速度,就可以十分準確的計算出初始原子的質量。

            在這個過程中,原子的帶電量和入射的初速度是知道的,磁場腔室的磁場的方向和強度也是知道的。如下圖所示,是質譜儀簡單的示意圖:

            

          原子這么小,它的質量是怎么得到的?質譜儀造就特殊“天平”

           

            如圖所示S1和S2,之間的是離子加速區,U0是加速電壓,假設離子脫離這個加速區之后的速度是v,離子進入磁場之后,由于帶電,而且具有速度,因此它會在磁場里會受到一個偏轉力,叫做洛倫茲力,這個力和離子的速度方向垂直,大小是F=qvB, 其中q是離子的帶電量,v是離子的速度,B是磁場的強度。離子進入磁場之后,由于洛倫茲力,會產生偏轉,最后射出磁場,在最右邊的平面上帶電離子最終會擊中一個位置,這個位置和平面中心O的距離和離子的質量存在確定的關系,因此只要測出這個距離y,就能知道離子的精確質量了。通過離子的質量,然后在計算中補償一下電子質量所帶來的誤差,就可以很精確地知道初始原子的質量了。

            當然,現在所有已知的原子的質量都已經被測量了出來,質譜儀目前最主要的用途不是用來測量原子質量了,而是用來分析樣品的組成成分的,分離同位素以及了解同位素的相對豐度的。因為現有的原子的質量都是已知的,只要根據質譜儀里面的偏轉路線,就可以判斷出樣品中原子的種類。

            經過好幾代科學家和工程師的努力,現在的質譜儀是一件相當完善的科學設備,如下圖所示,這種質譜儀一般都可以自動分析樣品的組成,測量原子的質量等等,但是它的基本原理是不變的。

            

          原子這么小,它的質量是怎么得到的?質譜儀造就特殊“天平”

           

            當然,質譜儀出現之前我們也是可以粗略地估計原子的質量的,而且還相當準確。上面提到,單個原子非常小,而且很輕,無法直接測量,這沒有錯,但是我們可以通過測量大量的原子的質量,然后除以原子的個數得到單個的原子質量。這種方法對于氣體的原子在當時是比較容易實現,這是因為當時對于氣體的研究比較多,科學家們可以比較容易地知道一定溫度和氣壓下的氣體原子的個數,因此可以通過測量氣體的質量來大概估計單個氣體原子的質量。但是對于液體和固體卻不能使用這種方法了,另外由于這種方式誤差很大,在質譜儀發明出來后就不再作為測量原子質量的方式了。

            其實從原子概念的出現到原子質量的獲得,這期間有好幾代科學家的努力,并不是某幾個杰出科學家的單獨貢獻,科學既是一個合作的過程,也是一個循環漸進的過程。

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