Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
трограмма, полученная на масс-спектрометре, предназначенном для изотопического анализа.
Атомная единица массы. Масс-спектрометрические методы лежат в основе наиболее точных измерений масс атомов и молекул. Так как в макроскопических масштабах массы атомов и молекул очень малы, в измерениях и расчетах удобно использовать не абсолютные значения масс (в килограммах), а относительные. По международному соглашению массы всех атомов и молекул принято
о'
О
«1 ,
О О
О О О О 3
ё » О о
о с
и J О о О 6 ь
О Э л О о
О
О г О О О О О О О
О О О л О О
О О О О 0 О О ю о О лОС
О О ОО О© °0 S ОО О
о о о
§ П. ИЗМЕРЕНИЯ В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ
93
сравнивать с массой атома углерода, точнее его изотопа 1?С. Углерод выбран потому, что он входит в огромное число химических соединений.
За атомную единицу массы принимается 1/12 массы изотопа углерода С, чтобы в этой шкале массы протона и нейтрона были близки к единице, а масса атома любого химического элемента выражалась числом, близким к целому.
Относительной атомной (или молекулярной) массой Мг вещества называют отношение массы атома (или молекулы) т0 данного вещества к 1/12 массы тос атома углерода *^С:
^ = (171^- <7>
Относительные массы всех химических элементов измерены очень точно. Складывая относительные атомные массы элементов, входящих в состав молекулы определенного вещества, можно, зная его химическую формулу, приближенно вычислить относительную молекулярную массу. Например, относительная масса молекулы воды Н20 равна 21 Hh 16 = 18, если эта молекула содержит наиболее
распространенные изотопы }Н и 'gO.
Точные измерения атомных масс. Для точных определений неизвестной массы какого-либо иона необходимо построить градуировочную кривую масс-спектрометра. Эта кривая сначала строится грубо путем выбора цепочки масс атомных или молекулярных ионов, отличающихся приблизительно на одну единицу массы, например С, СН, СН2, СН3, СН4. Если для данной цепочки массы ионов известны с погрешностью, например, 0,1% (что легко достигается химическими методами), то с такой же погрешностью можно построить график зависимости координаты линии в спектре масс на фотопластинке от относительной массы. Затем эту грубую градуировку уточняют. Это можно сделать, например, таким способом. Уменьшим ускоряющее напряжение при неизменном магнитном поле настолько, чтобы на место линии СН3 попала линия СН4. Тогда все новые положения массовых линий будут соответствовать значениям масс, изменившимся в отношении 16/15.
После такой градуировки можно измерить очень маленькую разность масс между некоторой неизвестной массой и эталонной. Среди множества углеводородов почти всегда можно подобрать очень близкие по массе соединения. Две близкие массы образуют так называемый дублет в спектре масс. Примером могут служить ионы “С) и ]бС{Н4 (кислород и метан). Если относительная погрешность измерения разности масс Ат этих ионов составляет всего 0,1% (что составляет несколько сотых долей от атомной
94
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
единицы массы), то относительная погрешность измерения массы иона '^О достигает одной миллионной. Иллюстрацией такого метода может служить рис. 33, на котором приведены два снимка нескольких близких массовых линий.
Обратим внимание на то, что этот дублет образован атомными числами, построенными из одинакового числа протонов, нейтронов и электронов. Различие в массах компонентов дублета обусловлено
Рис. 33. Фотоснимки массовых линий
тем, что у атома кислорода все протоны и нейтроны находятся в одном ядре, а в молекуле метана — в разных. Поэтому энергия взаимодействия протонов и нейтронов в этих системах различна, что приводит к различиям в энергии покоя и массе *|0 и |^С]Н4. Масс-спектрометрические методы позволяют определять не только относительные, но и абсолютные значения масс атомов и молекул, хотя и со значительно меньшей точностью. Уменьшение точности обусловлено тем, что абсолютные измерения масс атомов выполняются косвенно, и на их вычисляемом значении сказываются как погрешности измерения параметров экспериментальной установки (геометрических размеров, напряженностей полей, ускоряющего напряжения и т. п.), так и точность, с которой известен элементарный электрический заряд е. Для массы атома углерода измерения дают значение тос = 1,995-10-26 кг.
Количество вещества. Постоянная Авогадро. Наиболее естественной единицей для измерения количества вещества в каждом теле могло бы служить число молекул или атомов. Однако число молекул в любом макроскопическом теле очень велико. Поэтому для характеристики количества вещества удобно использовать не абсолютное число молекул, а относительное.
