المطياف الكتلوي

مطياف كتلوي

Mass spectrograph - Spectographe de masse

المطياف الكتلوي

يسمح المطياف الكتلوي mass spectrograph أو راسم الطيف الكتلي بفصل الذرات بحسب كتلها، شأنه في ذلك شـأن المطياف الضوئي الذي يسمح بفصل الضوء بحسب الأطوال الموجية التي يتركب منها. فمن المعلوم أن بالإمكان استخدام المطياف الضوئي لقياس الأطوال الموجية الصادرة عن منبع ضوئي، إضافة إلى قياس الشدات النسبية للأضواء وحيدة اللون التي يتركَّب منها. وبالمثل يمكن استخدام المطياف الكتلوي جهاز تحليل للكشف عن الكتل الذرية المختلفة التي تتألف منها عيِّنة ما، وكذلك تقدير الوفرة النسبية لكل منها. كما يمكن استخدامه وسيلة لفصل الذرات المتماثلة في الكتلة.

يعود الفضل إلى ف. و. آستون F.W.Aston في ابتكار أول مطياف كتلوي عام 1920، الذي عمل على تطوير جهاز ابتكره ج.ج. طومسون[ر] J.J.Thomson لفصل النظائر isotopes لأول مرة، وهي عناصر لا يمكن تمييزها بعضها عن بعض كيمياوياً، إلا أنها تختلف في الكتلة، وباستطاعة المطياف الكتلوي تمييزها بسهولة.

يعتمد مبدأ عمل المطياف الكتلوي على توليد أيونات للمادة المدروسة في حيّز خالٍ من الهواء، وإخضاعها لحقول كهربائية ومغنطيسية حتى ترسم في نهاية المطاف الجسيمات المختلفة في الكتلة مسارات متباينة.

وقد تختلف الترتيبات المستخدمة لهذا الغرض من جهاز لآخر، ويظهر في الشكل (1) أحدها وهو الأكثر استخداماً، وهو يتألف من أربعة أجزاء هي:

الشكل (1) مخطط رمزي لمطياف كتلوي

1- حجرة التأين ionization chamber

وهنا تُنتزع الإلكترونات من ذرات العيِّنة موضوع الدراسة، فتتحول إلى أيونات موجبة تمتلك جميعها كتلة متقاربة m، وهي تحمل شحنات كهربائية موجبة q = ne مساوية شحنة الإلكترون e أو مضاعفاتها n بالقيمة المطلقة. ويمكن الحصول على هذه الأيونات على سبيل المثال بإخضاع ذرات المادة وهي في حالة بخار تحت ضغط منخفض لسيل من الإلكترونات صادر عن فتيل ساخن.

ويبين الشكل (2) وسيلة تحقيق ذلك. إذ تُدخَل العيّنة وهي بحالة بخار إلى حجرة صغيرة فيها فتيل يمر فيه تيار كهربائي، توضع مقابله صفيحة موجبة A₁ فتنجذب الإلكترونات إليها. وباصطدام الإلكترونات المسرَّعة هذه مع ذرات البخار تغدو الذرات متأينة مرة أو أكثر، وتقوم الصفيحة A₂ التي يطبق عليها جهد (كمون) كهربائي موجب بطرد الأيونات بعيداً عنها فتخرج الأيونات من فتحة في حجرة التأين.

2- مساري التسريع acceleration electrodes

يطبق على حجرة التأين جهد كهربائي موجب من رتبة 10000 ڤولط volt، وتمر الأيونات الخارجة من فتحة حجرة التأين فتَرِدُ على مجموعة مسارٍ كهربائية تطبق عليها جهود كهربائية متناقصة حتى الصفر ڤولط، كما هو ظاهر في الشكل (3)، فتكتسب الأيونات سرعة عاليــة.

ويمكن التعبير عن طاقتها الحركية بدلالة الجهد الكهربائي المسرِّع V بالعلاقة:

وذلك بفرض m كتلة الأيون وv سرعته وne الشحنة الكهربائية التي يحملها. ومنها يكون:

(1)

3- حجرة الانحراف deflection chamber

تخضع الأيونات ذات السرعة v المعطاة بالعلاقة (1) لدى دخولها منطقة الحقل المغنطيسي B العمودي على مسارها لقوة تجعلها ترسم مساراً بشكل قوس دائرة نصف قطرهاR يعطى بالعلاقة:

(2)

فالأيونات ذات الكتلة الصغيرة ترسم أقواساً (A) أنصاف أقطارها صغيرة، في حين ترسم الأيونات ذات الكتلة الكبيرة أقواساً (C) أنصاف أقطارها كبيرة كما يظهر في الشكل (4). كما تقوم الشحنة التي يحملها الأيون بدور في تحديد نصف قطر الدائرة التي يرسمها وهذا واضح من العلاقة (2).

4- حجرة الكشف detection chamber

تَرِد الأيونات بعد خروجها من منطقة الحقل المغنطيسي إلى حجرة الكشف التي تعلوها فتحة. فإذا تمكَّن أيون من دخول الحجرة والارتطام بقعرها فإنه يكتسب من جدارها الإلكترون اللازم لاعتداله، فإذا وُصِلت الحجرة بمقياس يسجل شدة التيار عن طريق مضخم أمكن مراقبة عدد الأيونات الأخف أو الأثقل. يجري التحكم بشدة الحقل المغنطيسي B، لكشف كل أنواع الأيونات الموجودة في العيِّنة المدروسة.

يبين الشكل (6) نتائج نموذجية عائدة لبخار المولبدن تظهر فيها خطوط شاقولية متفاوتة في الطول تعبِّر عن شدة التيار المسجل، يعود كل منها إلى نوع محدد من نظائر المولبدن، وهي سبعة كما يبين الشكل، هي:

⁹²Mo,⁹⁴Mo,⁹⁵Mo,⁹⁶Mo,⁹⁷Mo,⁹⁸Mo,¹⁰⁰Mo

ويظهر من الشكل كذلك أن أكثر الأنواع وفرة هو ^m98Mo، حيث إن طول الخط المقابل له أطول الخطوط.

يتطلب عمل المطياف الكتلوي جعل المنطقة التي تتحرك فيها الأيونات خالية عملياً من الهواء، ويتم تأمين ذلك عن طريق مخلِّيات مناسبة. ولكن كيف تم التعرف على أن الخط الأول من الطيف الكتلوي مثلاً عائد للمولبدن 92 وما ومعنى ذلك؟

تعطي المعادلة (2) نصف قطر الدائرة التي يرسمها الأيون في الحقل المغنطيسي ذي الشدة B، وهو يقاس بالمتر في الجملة الدولية، وتقاس B بالتسلا وV بالڤولط، وe بالكولون وm بالكيلو غرام. فبقياس كل من B وV وR ومعرفة شحنة الإلكترون e وهي تساوي 1.6×10^-19، يمكن استنتاج m بالكيلوغرام. لقد جرت العادة على استخدام واحدة لقياس الكتل على السلم الذري تسمى واحدة الكتلة الذرية ويرمز لها بـ «و. ك. ذ» amu (atomic mass unit) وقيمتها:

1 و.ك. ذ= 1.66× 10^-27 كغ

فإذا قسمت m المقدرة بالكيلوغرام على واحدة الكتلة الذرية التي تمثل عملياً    

من كتلة ذرة الكربون ^c12C فإن أقرب عدد صحيح للعدد الناتج سيكون 92، وهو يمثل عملياً مجموع عدد البروتونات والنترونات في نواة النظير الناتج، ويسمى العدد الكتلي atomic number له. وهكذا بالنسبة لباقي الخطوط الناجمة عن المطياف الكتلوي.

أحمد حصري

طومسون (جوزيف جون ـ) ـ الطيف ـ الفيزياء ـ النظائر.

ـ الفيزياء الحديثة للجامعات، ترجمة عبد الرزاق قدورة وأحمد حصري وأدهم سمان (جامعة دمشق، 1976).

- H.E.DUCKWORTH, Mass Spectroscopy (Cambridge 1958).

التصنيف : الكيمياء و الفيزياء

النوع : علوم

المجلد: المجلد الثامن عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 879

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية