پرسش

چگونه از پرتو كاتدی برای مشخص كردن تعداد ایزوتوپ های یك عنصر استفاده می شود

پاسخ

در اواخر قرن نوزدهم طبیعت اشعه كاتدی به تفصیل مورد بررسی قرار گرفت . آزمایش نشان داد كه این اشعه ، جریانی از الكترون‌هایی است كه حركت سریع دارند . این الكترون‌ها كه از فلز الكترود منفی ناشی می‌شوند ، به جنس آن بستگی ندارند . به عبارت دیگر ، جنس فلز كاتد هرچه باشد ، جنس اشعه كاتدی ناشی از آن تفاوت نمی‌كند . در سال 1897 جوزف . جی . تامسون نسبت بار الكترون به جرم آن ( e / m ) را از طریق بررسی انحراف اشعه كاتدی در میدان‌های الكتریكی و مغناطیسی معین كرد . از آنجا كه الكترون‌ها دارای بار الكتریكی هستند ، الكترون‌های در حال حركت یك جریان الكتریكی به وجود می‌آورند . از طرف دیگر ، میدان مغناطیسی و جریان الكتریكی بر یكدیگر تاثیر متقابل دارند ، بنابراین ، وقتی یك الكترون وارد یك میدان مغناطیسی می‌شود ، از مسیر عادی خود منحرف شده و در مسیر دایره‌ای به حركت درمی‌آید .
برای بررسی ایزوتوپ‌ها از طیف نگار جرمی استفاده می‌شود . دستگاه‌هایی از این نوع توسط استون و دمپستر با پیروی از اصول روش‌هایی كه تامسون ارائه كرده بود ساخته شد. اگر عنصری شامل چند نوع اتم با جرم‌های متفاوت ( ایزوتوپ‌ها ) باشد ، این تفاوت در مقادیر e / m یون‌های مثبت حاصل از این اتم‌ها پدیدار می‌گردد . طیف نگار جرمی یون‌ها را بر حسب مقادیر نسبت بار به جرم ، از یكدیگر جدا می‌كند ، و سبب می‌شود كه یون‌های مثبت متفاوت در محل‌های مختلف روی یك صفحه عكاسی اثر كنند .
وقتی دستگاه كار می‌كند ، اتم‌های بخار ماده مورد مطالعه در معرض بمباران الكترونی قرار گرفته و به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند . این یون‌ها بر اثر عبور از یك میدان الكتریكی ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب پیدا می‌كنند . اگر ولتاژ این میدان ثابت نگهداشته شود ، تمام یون‌هایی كه مقدار e / m مساوی دارند با سرعت مساوی وارد یك میدان مغناطیسی می‌شوند . این سرعت شعاع مسیر یون را در میدان مغناطیسی تعیین می‌كند .
اگر شدت میدان مغناطیسی و ولتاژ شتاب دهنده ثابت نگهداشته شوند ، تمام یون‌هایی كه مقدار e / m مساوی دارند ، در یك محل بر روی صفحه عكاسی متمركز می‌شوند ولی یون‌هایی كه مقدار e / m متفاوت دارند در محلهای مختلف روی صفحه عكاسی متمركز می‌شوند . هرگاه یك وسیله الكتریكی كه شدت اشعه یونی را اندازه می‌گیرد ، جای‌گزین صفحه عكاسی شود ، دستگاه را طیف سنج جرمی می‌نامیم . با استفاده از طیف سنج جرمی می‌توان هم جرم اتمی دقیق ایزوتوپ‌ها و هم تركیب ایزوتوپی عناصر ( انواع ایزوتوپ‌های موجود و مقدار نسبی هر یك ) را تعیین كرد .