تبلیغات
همه چیز در چهار دیواری - طیف سنج جرمی
هر چه خواهد دل تنگت

طیف سنج جرمی

سه شنبه 27 اسفند 1387 08:37 ق.ظ

نویسنده : Mahdi Izadpanah
ارسال شده در: مطالب علمی ،
طیف سنج جرمی
طیف سنج جرمی
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یک از تکنیکهای دستگاهی دیگر ، بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، "تامسون" برای تشریح وجود نئون-22 در نمونه‌ای از نئون-20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت کرد که عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند.

طیف سنج جرمی
طیف سنج جرمی
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یک از تکنیکهای دستگاهی دیگر ، بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، "تامسون" برای تشریح وجود نئون-22 در نمونه‌ای از نئون-20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت کرد که عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند.

[ الكترومغناطیس ]

تاریخچه
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یك از تكنیكهای دستگاهی دیگر ، بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، "تامسون" برای تشریح وجود نئون-22 در نمونه‌ای از نئون-20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت كرد كه عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند. تا جایی كه می‌دانیم، قدیمیترین طیف سنج جرمی در سال 1918 ساخته شد.

اما روش طیف سنجی جرمی تا همین اواخر كه دستگاههای دقیق ارزانی در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تكنیك با پیدایش دستگاههای تجاری كه بسادگی تعمیر و نگهداری می‌شوند و با توجه به مناسب بودن قیمت آنها برای بیشتر آزمایشگاههای صنعتی و آموزشی و نیز بالا بودن قدرت تجزیه و تفكیك ، در مطالعه تعیین ساختمان تركیبات از اهمیت بسیاری برخوردار گشته است.
اصول طیف سنجی جرمی تصویر


به بیان ساده ، طیف سنج جرمی سه عمل اساسی را انجام می‌دهد:

مولكولها توسط جرایاناتی از الكترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولكولها به یونهای مربوطه تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یك میدان الكتریكی شتاب داده می‌شوند.

یونهای شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در یك میدان مغناطیسی یا الكتریكی جدا می‌گردند.

یونهای دارای نسبت بار/جرم مشخص و معین توسط بخشی از دستگاه كه در اثر برخورد یونها به آن ، قادر به شمارش آنها است، آشكار می‌گردند. نتایج داده شده خروجی توسط آشكار كننده بزرگ شده و به ثبات داده می‌شوند. علامت یا نقشی كه از ثبات حاصل می‌گردد یك طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشكار شده بر حسب تابعی از نسبت بار/جرم.

دستگاه طیف سنج جرمی

هنگامی كه هر یك از عملیات را بدقت مورد بررسی قرار دهیم، خواهیم دید كه طیف سنج جرمی واقعا پیچیده‌تر از آن چیزی است كه در بالا شرح داده شد.

سیستم ورودی نمونه

قبل از تشكیل یونها باید راهی پیدا كرد تا بتوان جریانی از مولكولها را به محفظه یونیزاسیون كه عمل یونیزه شدن در آن انجام می‌گیرد، روانه ساخت. یك سیستم ورودی نمونه برای ایجاد چنین جریانی از مولكولها بكار برده می‌شود. نمونه‌هایی كه با طیف سنجی جرمی مورد مطالعه قرار می‌گیرند، می‌توانند به حالت گاز ، مایع یا جامد باشند. در این روش باید از وسایلی استفاده كرد تا مقدار كافی از نمونه را به حالت بخار در آورده ، سپس جریانی از مولكولها روانه محفظه یونیزاسیون شوند.

در مورد گازها ، ماده ، خود به حالت بخار وجود دارد. پس ، از سیستم ورودی ساده‌ای می‌توان استفاده كرد. این سیستم تحت خلاء بوده، بطوری كه محفظه یونیزاسیون در فشاری پایینتر از سیستم ورودی نمونه قرار دارد.

روزنه مولكولی
نمونه به انبار بزرگتری رفته كه از آن ، مولكولهای بخار به محفظه یونیزاسیون می‌روند. برای اطمینان از اینكه جریان یكنواختی از مولكولها به محفظه یونیزاسیون وارد می‌شود، قبل از ورود ، بخار از میان سوراخ كوچكی كه "روزنه مولكولی" خوانده می‌شود، عبور می‌كند. همین سیستم برای مایعات و جامدات فرار نیز بكار برده می‌شود. برای مواد با فراریت كم ، می‌توان سیستم را به گونه‌ای طراحی كرد كه در یك اجاق یا تنور قرار گیرد تا در اثر گرم كردن نمونه ، فشار بخار بیشتری حاصل گردد. باید مراقب بود كه حرارت زیاد باعث تخریب ماده نگردد.

در مورد مواد جامد نسبتا غیر فرار ، روش مستقیمی را می‌توان بكار برد. نمونه در نوك میله‌ای قرار داده می‌شود و سپس از یك شیر خلاء ، وارد محفظه یونیزاسیون می‌گردد. نمونه در فاصله بسیار نزدیكی از پرتو یونیزه كننده الكترونها قرار می‌گیرد. سپس آن میله ، گرم شده و تولید بخاری از نمونه را كرده تا در مجاورت پرتو الكترونها بیرون رانده شوند. چنین سیستمی را می‌توان برای مطالعه نمونه‌ای از مولكولهایی كه فشار بخار آنها در درجه حرارت اتاق كمتر از 9 - 10 میلیمتر جیوه است، بكار برد.

محفظه یونیزاسیون
هنگامی كه جریان مولكولهای نمونه وارد محفظه یونیزاسیون گشت ، توسط پرتوی از الكترونهای پرانرژی بمباران می‌شود. در این فرآیند ، مولكولها به یونهای مربوطه تبدیل گشته و سپس در یك میدان الكتریكی شتاب داده می‌شوند. در محفظه یونیزاسیون پرتو الكترونهای پرانرژی از یك "سیم باریك" گرم شده ساطع می‌شوند. این سیم باریك تا چند هزار درجه سلسیوس گرم می‌شود. به هنگام كار در شرایطی معمولی ، الكترونها دارای انرژی معادل 70 میكرون - ولت هستند.

این الكترونهای پرانرژی با مولكولهایی كه از سیستم نمونه وارد شده‌اند، برخورد كرده و با برداشتن الكترون از آن مولكولها ، آنها را یونیزه كرده و به یونهای مثبت تبدیل می‌كنند. یك "صفحه دافع" كه پتانسیل الكتریكی مثبتی دارد، یونهای جدید را به طرف دسته‌ای از "صفحات شتاب دهنده" هدایت می‌كند. اختلاف پتانسیل زیادی (حدود 1 تا 10 كیلو ولت) از این صفحات شتاب دهنده عبور داده می‌شود كه این عمل ، پرتوی از یونهای مثبت سریع را تولید می‌كند. این یونها توسط یك یا چند "شكاف متمركز كننده" به طرف یك پرتو یكنواخت هدایت می‌شوند.

بسیاری از مولكولهای نمونه به هیچ وجه یونیزه نمی‌شوند. این مولكولها بطور مداوم توسط مكنده‌ها یا پمپهای خلا كه به محفظه یونیزاسیون متصل نیستند، خارج می‌گردند. بعضی از این مولكولها از طریق جذب الكترون به یونهای منفی تبدیل می‌شوند. این یونهای منفی توسط صفحه دافع جذب می‌گردند. ممكن است كه بخش كوچكی از یونهای تشكیل شده بیش از یك بار داشته باشند، (از دست دادن بیش از یك الكترون) اینها مانند یونهای مثبت تك ظرفیتی ، شتاب داده می‌شوند.

پتانسیل یونیزاسیون
انرژی لازم برای برداشتن یك الكترون از یك اتم یا مولكول ، پتانسیل یونیزاسیون آن است. بسیاری از تركیبات آلی دارای پتانسیل یونیزاسیونی بین 8 تا 15 الكترون ولت هستند. اما اگر پرتو الكترونهایی كه به مولكولها برخورد می‌كند، پتانسیلی معادل 50 تا 70 الكترون ولت نداشته باشد، قادر به ایجاد یونهای زیادی نخواهد بود. برای ایجاد یك طیف جرمی ، الكترونهایی با این میزان انرژی برای یونیزه كردن نمونه بكار برده می‌شوند.

تجزیه گر جرمی
پس از گذر كردن از محفظه یونیزاسیون ، پرتو یونها از درون یك ناحیه كوتاه فاقد میدان عبور می‌كند. سپس آن پرتو ، وارد "تجزیه گر جرمی" شده كه در آنجا ، یونها بر حسب نسبت بار/جرم آنها جدا می‌شوند. انرژی جنبشی یك یون شتاب داده شده برابر است با:

12mv2=ev

كه m جرم یون ، v سرعت یون ، e بار یون و V اختلاف پتانسیل صفحات شتاب دهنده یون است.

در حضور یك میدان مغناطیسی ، یك ذره باردار مسیر منحنی شكلی را خواهد داشت. معادله‌ای كه شعاع این مسیر منحنی شكل را نشان می‌دهد به صورت زیر است:

(r =MV)/eH

كه r شعاع انحنای مسیر و H قدرت میدان مغناطیسی است.

اگر این دو معادله را برای حذف عبارت سرعت تركیب كنیم، خواهیم داشت:


این معادله مهمی است كه رفتار و عمل یك یون را در بخش تجزیه‌گر جرمی یك طیف سنج جرمی توجیه می‌كند.


طیف سنج جرمی

تجزیه گر جرمی و قدرت تفكیك تصویر
از معادله فوق چنین بر می‌آید كه هر قدر ، مقدار m/e بزرگتر باشد، شعاع انحنای مسیر نیز بزرگتر خواهد بود. لوله تجزیه‌گر دستگاه طوری ساخته شده است كه دارای شعاع انحنای ثابتی است. ذره‌ای كه نسبت m/e صحیحی داشته باشد، قادر خواهد بود تا طول لوله تجزیه‌گر منحنی شكل را طی كرده ، به آشكار كننده نمی‌رسند. مسلما اگر دستگاه ، یونهایی را كه جرم بخصوصی دارند، نشان دهد. این روش چندان جالب نخواهد بود.

بنابراین بطور مداوم ، ولتاژ شتاب دهنده یا قدرت میدان مغناطیسی تغییر یافته تا بتوان كلیه یونهایی كه در محفظه یونیزاسیون تولید گشته‌اند را آشكار ساخت. اثری كه از آشكار كننده حاصل می‌گردد، بصورت طرحی است كه تعداد یونها را بر حسب مقدار m/e آنها رسم می‌كند. فاكتور مهمی كه باید در یك طیف سنج جرمی در نظر گرفتن قدرت تفكیك آن است. قدرت تفكیك بر طبق رابطه زیر تعریف می‌شود:

(R=M)/M

كه R قدرت تفكیك ، M جرم ذره و M∆ اختلاف جرم بین یك ذره با جرم M و ذره بعدی با جرم بیشتر است كه می‌تواند توسط دستگاه تفكیك گردد. دستگاههایی كه قدرت تفكیك ضعیفی دارند، مقدار R آنها حداكثر 2000 در بعضی مواقع قدرت تفكیكی به میزان پنج تا ده برابر مقدار فوق مورد نیاز است.

آشكار كننده
آشكار كننده بسیاری از دستگاهها ، شامل یك شمارشگر است كه جریان تولیدی آن متناسب با تعداد یونهایی است كه به آن برخورد می‌كند. با استفاده از مدارهای الكترون افزاینده می‌توان آن قدر دقیق این جریان را اندازه گرفت كه جریان حاصل از برخورد فقط یك یون به آشكار كننده اندازه ‌گیری شود.

ثبات آشكار كننده
سیگنال تولید شده از آشكار كننده به یك ثبات داده می‌شود كه این ثبات خود طیف جرمی را ایجاد می‌نماید. در دستگاههای جدید ، خروجی آشكار كننده از طریق یك سطح مشترك به رایانه متصل است. رایانه قادر به ذخیره اطلاعات بوده و خروجی را به هر دو صورت جدولی و گرافیكی در می‌آورد. دست آخر داده‌ها با طیفهای استاندارد ذخیره شده موجود در رایانه مقایسه می‌گردد.

در دستگاهها قدیمیتر ، جریان الكترونی حاصل از آشكار كننده به یك سری از پنج گالوانومتر با حساسیتهای متفاوت داده می‌شود. پرتو نوری كه به آینه‌های متصل به گالوانومترها برخورد می‌كند و به یك صفحه حساس به نور منعكس می‌گردد. بدین طریق یك طیف جرمی با پنج نقش بطور همزمان ، هر یك با حساسیتی متفاوت ایجاد می‌گردد. در حالی كه هنوز دستگاه قویترین قله‌ها را در صفحه طیف نگاه می‌دارد، با استفاده از این پنج نقش ثبت ضعیفترین قله‌ها نیز ممكن می‌گردد.




دیدگاه ها : نظرات
آخرین ویرایش: پنجشنبه 31 اردیبهشت 1388 11:06 ق.ظ