原子這么小,它的質(zhì)量是怎么得到的?質(zhì)譜儀造
瀏覽次數(shù): 342 發(fā)布時(shí)間:2018-05-07 14:02:31 發(fā)布人:editor
原子是元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位。20世紀(jì)以前,科學(xué)家們認(rèn)為原子是不可分割的,但是實(shí)際上原子也是可以分割的,一個(gè)完整的原子由原子核和核外電子組成,原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成。再進(jìn)一步,質(zhì)子和中子由不同的夸克構(gòu)成。這里我們對(duì)此不做深究。
一般原子的直徑在10-10m數(shù)量級(jí),質(zhì)量在10-27kg這個(gè)數(shù)量級(jí),直接測(cè)量原子的質(zhì)量是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)然,原子的相對(duì)質(zhì)量用"相對(duì)原子量"這個(gè)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(duì)原子量,偶爾我們還是要知道原子的絕對(duì)質(zhì)量的,那么問(wèn)題就來(lái)了,原子這么小,質(zhì)量這么輕,它的精確質(zhì)量是如何獲得的呢?
這么小的質(zhì)量當(dāng)然不可能用普通的天平來(lái)稱量了。事實(shí)上,最精密的天平(德國(guó)生產(chǎn)的"4108 型"天平)的精度也只能達(dá)到0.01微克的精度,大概相當(dāng)于10-11Kg,這其實(shí)已經(jīng)相當(dāng)?shù)木芰耍耆軡M足各種生產(chǎn)生活的需求,但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到原子的質(zhì)量所要求的精度。其實(shí)原子的質(zhì)量不是直接得到的,原子的質(zhì)量是用一種叫做質(zhì)譜儀的儀器測(cè)量出來(lái)的。質(zhì)譜儀這個(gè)儀器本身的用處很多,并不僅限于測(cè)量原子的質(zhì)量。本文主要介紹一下這個(gè)質(zhì)譜儀到底是怎么測(cè)量原子的質(zhì)量的。
質(zhì)譜儀最初是由約瑟夫·約翰·湯姆遜在1912年發(fā)明的,如下圖所示,可以看出質(zhì)譜儀的這個(gè)原型很簡(jiǎn)陋,但是它的基本原理卻和現(xiàn)在很高級(jí)的質(zhì)譜儀是一樣的。
質(zhì)譜儀的原理圖如下:
如圖所示,是一個(gè)質(zhì)譜儀的主要部分,原子樣品從左邊進(jìn)入質(zhì)譜儀,然后被離子化(常見(jiàn)的離子化方式有電子轟擊,化學(xué)電離等),在這過(guò)程中,原子要么被添加幾個(gè)電子而帶負(fù)電,要么被剝離幾個(gè)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?yàn)閹щ姡M(jìn)入電場(chǎng)之后被加速,等到離開電場(chǎng)之后就具有了一定的速度。然后這些離子被送入具有磁場(chǎng)的腔室,然后具有不同質(zhì)量的離子會(huì)出現(xiàn)不同的路徑,通過(guò)精確估計(jì)這些離子的路徑和速度,就可以十分準(zhǔn)確的計(jì)算出初始原子的質(zhì)量。
在這個(gè)過(guò)程中,原子的帶電量和入射的初速度是知道的,磁場(chǎng)腔室的磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度也是知道的。如下圖所示,是質(zhì)譜儀簡(jiǎn)單的示意圖:
如圖所示S1和S2,之間的是離子加速區(qū),U0是加速電壓,假設(shè)離子脫離這個(gè)加速區(qū)之后的速度是v,離子進(jìn)入磁場(chǎng)之后,由于帶電,而且具有速度,因此它會(huì)在磁場(chǎng)里會(huì)受到一個(gè)偏轉(zhuǎn)力,叫做洛倫茲力,這個(gè)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(chǎng)的強(qiáng)度。離子進(jìn)入磁場(chǎng)之后,由于洛倫茲力,會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),最后射出磁場(chǎng),在最右邊的平面上帶電離子最終會(huì)擊中一個(gè)位置,這個(gè)位置和平面中心O的距離和離子的質(zhì)量存在確定的關(guān)系,因此只要測(cè)出這個(gè)距離y,就能知道離子的精確質(zhì)量了。通過(guò)離子的質(zhì)量,然后在計(jì)算中補(bǔ)償一下電子質(zhì)量所帶來(lái)的誤差,就可以很精確地知道初始原子的質(zhì)量了。
當(dāng)然,現(xiàn)在所有已知的原子的質(zhì)量都已經(jīng)被測(cè)量了出來(lái),質(zhì)譜儀目前最主要的用途不是用來(lái)測(cè)量原子質(zhì)量了,而是用來(lái)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(duì)豐度的。因?yàn)楝F(xiàn)有的原子的質(zhì)量都是已知的,只要根據(jù)質(zhì)譜儀里面的偏轉(zhuǎn)路線,就可以判斷出樣品中原子的種類。
經(jīng)過(guò)好幾代科學(xué)家和工程師的努力,現(xiàn)在的質(zhì)譜儀是一件相當(dāng)完善的科學(xué)設(shè)備,如下圖所示,這種質(zhì)譜儀一般都可以自動(dòng)分析樣品的組成,測(cè)量原子的質(zhì)量等等,但是它的基本原理是不變的。
當(dāng)然,質(zhì)譜儀出現(xiàn)之前我們也是可以粗略地估計(jì)原子的質(zhì)量的,而且還相當(dāng)準(zhǔn)確。上面提到,單個(gè)原子非常小,而且很輕,無(wú)法直接測(cè)量,這沒(méi)有錯(cuò),但是我們可以通過(guò)測(cè)量大量的原子的質(zhì)量,然后除以原子的個(gè)數(shù)得到單個(gè)的原子質(zhì)量。這種方法對(duì)于氣體的原子在當(dāng)時(shí)是比較容易實(shí)現(xiàn),這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)于氣體的研究比較多,科學(xué)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(gè)數(shù),因此可以通過(guò)測(cè)量氣體的質(zhì)量來(lái)大概估計(jì)單個(gè)氣體原子的質(zhì)量。但是對(duì)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(zhì)譜儀發(fā)明出來(lái)后就不再作為測(cè)量原子質(zhì)量的方式了。
其實(shí)從原子概念的出現(xiàn)到原子質(zhì)量的獲得,這期間有好幾代科學(xué)家的努力,并不是某幾個(gè)杰出科學(xué)家的單獨(dú)貢獻(xiàn),科學(xué)既是一個(gè)合作的過(guò)程,也是一個(gè)循環(huán)漸進(jìn)的過(guò)程。