Масс-спектрометр
– прибор для определения масс атомов (молекул) по характеру движения
их ионов в электрическом и магнитном полях.
Нейтральный атом не подвержен действию электрического и магнитного
поля. Однако, если отнять у него или добавить ему один и более электронов,
то он превратится в ион, характер движения которого в этих полях будет определяться
его массой и зарядом. Строго говоря в масс-спектрометрах определяется не
масса, а отношение массы к заряду. Если заряд известен, то однозначно определяется
масса иона, а значит масса нейтрального атома и его ядра. Конструктивно
масс-спектрометры могут сильно отличаться друг от друга. В них могут использоваться
как статичные поля, так и изменяющиеся во времени поля, магнитные и/или
электрические.
 Схема масс-спектрометра: 1 - ионный источник, 2, 4 - щелевые диафрагмы, 3 - область однородных и постоянных электрического и магнитного полей (силовые линии электрического поля направлены вдоль плоскости рисунка м показаны стрелками, область магнитного поля показана штриховкой, его силовые линии перпендикулярны плоскости рисунка), 5 - область однородного и постоянного магнитного поля (силовые линии перпендикулярны плоскости рисунка), 6 - траектория иона, 7 - детектор. |
Рассмотрим один из наиболее простых вариантов.
Масс-спектрометр состоит из следующих основных частей:
а) ионного источника, где нейтральные атомы превращаются в ионы (например,
под действием нагревания или СВЧ-поля) и ускоряются электрическим полем,
б) области постоянных электрических и магнитных полей, и в)
приёмника ионов, определяющего координаты точек, куда попадают ионы, пересекшие
эти поля.
Из ионного источника 1 ускоренные ионы через щель 2
попадают в область 3 постоянного и однородного электрического E и
магнитного B1 полей. Направление электрического поля задаётся
положением пластин конденсатора и показано стрелками. Магнитное поле направлено
перпендикулярно плоскости рисунка. В области 3 электрическое E и магнитное
B1 поля отклоняют ионы в противоположные стороны и величины напряжённости
электрического поля Е и индукции магнитного поля B1 подобраны
так, чтобы силы их действия на ионы (соответственно qЕ и qvB1,
где q – заряд, а v – скорость иона) компенсировали друг друга, т.е. было
qЕ = qvB1. При скорости иона v = Е/B1 он движется
не отклоняясь в области 3 и проходит через вторую щель 4, попадая в область
5 однородного и постоянного магнитного поля c индукцией B2. В
этом поле ион движется по окружности 6, радиус R которой определяется из
соотношения
Мv2/R = qvB2, где М – масса иона. Так как v = Е/B1,
масса иона определяется из соотношения
M = qB2R/v = qB1B2R/E.
Таким образом, при известном заряде иона q его масса M определяется радиусом R круговой орбиты в области 5. Для расчётов удобно использовать соотношение в системе единиц, приведённой в квадратных скобках:
M[Тл] = 106ZB1[Тл]B2[Тл]R[м]/E[В/м].
Если в качестве детектора ионов 7 использовать
фотопластинку, то этот радиус с высокой точностью покажет чёрная точка в
том месте проявленной фотопластинки, куда попадал пучок ионов. В современных
масс-спектрометрах в качестве детекторов обычно используют электронные умножители
или микроканальные пластинки. Масс-спектрометр позволяет определять массы
с очень высокой относительной точностью
Анализ масс-спектрометром смеси атомов различной массы позволяет
также определить их относительное содержание в этой смеси. В частности,
может быть установлено содержание различных изотопов какого-либо химического
элемента.
См. также