Определение изотопного состава элементов

ГЛАВА 7

Масс-спектрометрические методы изучения вещества

Введение

Большинство атомов имеют несколько изотопов. Изотопами называются атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Термин "изотопы" - в переводе с греческого означает "равные места". Изотопы подразделяются на стабильные и радиоактивные. Известно около 300 стабильных изотопов, радиоактивных около 1200. В этой главе рассмотрим определение изотопного состава стабильных элементов.

Различие в атомной массе изотопов одного и того же элемента отражается в различии химических и физических свойств изотопов, хотя такие различия очень незначительны. Различия в химических и физических свойствах, связанные с разной массой изотопов, приводят к изменению изотопного состава элементов при протекании физических и химических процессов. По изотопному составу элементов в природных соединениях можно выявить процессы, приводящие к образованию того или иного соединения и генезис соединений. Изотопные измерения используются и для определения химического состава соединений и содержания отдельных элементов.. Кроме того, определение абсолютного возраста природных объектов невозможно без изотопных исследований. Широко используются изотопные определения и в экологии. Использование изотопных исследований будет детально рассмотрено в дисциплине «Геоэкологические методы исследований». Здесь лишь отметим, что масс-спектрометрические методы исследования природных и антропогенных объектов являются современным активно развивающимся методом исследований.

Определение изотопного состава элементов

Изотопный состав элементов можно определять различными методами: эмиссионной спектроскопией, кинетический, масс-спектроскопический, ядерно-физический и др. В настоящее время изотопный состав элементов определяется масс-спектрометрическим методом. Масс-спектрометрические методы являются наиболее эффективными и распространенными методами определения изотопного состава элементов. Масс-спектрометрическое разделение изотопов основано на закономерностях движения заряженных атомов в магнитном или электрическом полях.

В настоящее время для определения изотопного состава элементов используются магнитные масс-спектрометры. В основу магнитного масс-спектрометра положено разделение заряженных частиц в магнитном поле. На рис. 7.1 представлена схема первого масс-спектрометра Демпстера (1918 г.), в основу которого положено разделение заряженных частиц в магнитном поле. Блок-схема масс-спектрометра представлена на рис. 7.2.

Молекулы исследуемого вещества ионизируются в источнике ионов и положительно заряженные ионы, под воздействием выталкивающего потенциала, направляются в анализатор, расположенном в магнитном поле. Заряженная частица движется в магнитном поле и, в результате взаимодействия заряженной частицы с магнитном полем ее путь отклоняется от прямолинейного. Чем легче заряженная частица, тем значительнее отклоняется ее путь в магнитном поле, чем тяжелее частица - тем меньше это отклонение. В результате частицы одинаковые по массе и заряду движутся в магнитном поле по строго определенным траекториям, отличным от частиц с другими параметрами. На выходе из магнитного поля находиться приемник ионов (щель коллектора, коллектор), который позволяет "ловить" и измерять частицы со строго определенными параметрами. Приемник может быть много коллекторный и одно коллекторный. При использовании одно коллекторного приемника ионов (как на рис. 7.1) можно измерять частицы с различными параметрами на одном коллекторе - изменяя выталкивающий потенциал (скорость движения частицы) или напряженность магнитного поля. Схема двухколекторного масс-спектрометра представлена на рис.7.3.

Источником ионов называется часть прибора, предназначенная для образования ионов исследуемого вещества и формирования пучка ионов. Наибольшее распространение получил способ образования положительных ионов за счет соударения молекул газа с электронами. Образовавшиеся положительные ионы под воздействием выталкивающего потенциала в виде пучка вылетают в анализатор. Анализатором называется часть масс-спектрометра, предназначенная для разделения и фокусировки пучков ионов по значениям отношения массы ионов к их зарядам. Сфокусированный пучек ионов из анализатора поступает в приемник ионов, где измеряется ионный ток поступающего на коллектор «луча». Источник ионов, анализатор и приемник ионов заключены в металлическую камеру, в которой создается вакуум до 10^{-7 мм ртутного столба.}

Современные масс-спектрометры компьютеризированы и на экране компьютера фиксируются результаты измерения ионных токов изотопов, а также фиксируются все параметры прибора. Масс-спектрометры позволяют фиксировать масс-спектры большого количества изотопов. В качестве примера, на рис. 7.4 приводится масс-спектр ртути.

Существуют другие типы масс-спектрометров, где разделение происходит при движении частиц в электрическом поле. Например, время пролетные - заряженные частицы «летят» в электрическом поле с различной скоростью (в зависимости от массы и заряда) и по времени преодоления ими расстояния от источника до приемника ионов определяется изотопный состав исследуемого элемента. Времяпролетные масс-спектрометры используются для компонентного анализа газа.