Методи визначення мас мікрочасток, Детальна інформація

Таким чином, гіпотеза Авогадро не тільки підтверджує закон простих співвідношень, але й дає можливість визначити відносні маси молекул різних речовин. При цьому число молекул в даному об‘ємі газу і їх маса поки що залишаються невідомими.

В подальшому вченими було накопичено багато матеріалу про різні хімічні сполуки. Тільки Берцеліус (1779-1848 рр.) проаналізував близько 2000 хімічних сполук. В результаті вдалося не тільки підтвердити закон постійних співвідношень, але й побудувати шкалу відносних атомних ваг, тобто таблицю, і якій вказано, в скільки разів атомна вага даного елемента більша або менша атомної ваги другого елемента, прийнятого за одиницю.

За пропозицією Дальтона атомна вага, що рівна одиниці, умовно була приписана водню, як найлегшому з усіх елементів.

Побудовані на цій основі таблиці атомних ваг дали для всіх елементів приблизно цілочисельні значення.

В подальшому, за пропозицією Берцеліуса, за одиницю для розрахунку атомних ваг був взятий кисень. В експериментальному відношенні це було набагато зручніше, тому що кисень сполучається зі значно більшою кількістю елементів, ніж водень.

Одиниця для розрахунку атомної ваги отримала назву атомної одиниці маси (а. о. м.). За домовленістю атомна вага кисню була прийнята рівною 16 а. о. м.

Таблиці атомних ваг елементів, що побудовані на основі кисню, також дали для різних елементів приблизно цілочисельні значення. Якщо б мова йшла про три або чотири елементи, то ще можна б рахуватися з імовірністю того, що їх відносна атомна вага лише випадково є цілочисельною. Для дев‘яти елементів, за розрахунками Стретта, ймовірність того, що їх атомна вага випадково розташується близько цілочисельних значень, не перевищує 0,001.

На початку XIX ст., коли обговорювалося питання про зміст цілочисельного відношення атомних ваг, було відомо 35 хімічних елементів. Для 35 елементів ймовірність випадкового розташування атомних ваг близько цілочисельних значень настільки мала, що практично її немає змісту брати до уваги.

2. Гіпотеза Проута

В 1815 році для пояснення розташування атомних ваг елементів поблизу цілочисельних значень Проут (1786-1850 рр.) запропонував гіпотезу про те, що всі елементи походять з водню шляхом його конденсації. З цієї гіпотези, звичайно, випливало, що атомні ваги всіх елементів повинні бути цілими, кратними атомній вазі водню.

На початку XIX ст. ідея Проута знайшла гарячих прихильників і не менш гарячих противників. Прихильників привертала простота його гіпотези. Противники свої заперечення аргументували тим, що з гіпотези Проута випливає точна цілочисельність атомних ваг елементів, яка насправді не має місця. При цьому вони доводили, що чим вища точність вимірювання атомних ваг елементів, тим помітніше це розходження. Крім того, хлор і деякі інші елементі явно мають нецілочисельну атомну вагу.

3. Загадка нецілочисленності атомної ваги елементів

В ХІХ ст. Дальтон запропонував п’ять постулатів, які лягли в основу сучасної хімії. І сам Дальтон одним необгрунтованим формулюванням заплутав дослідників.

В своєму п’ятому постулаті він дав визначення поняття "елемент" або "хімічний елемент" таким чином: всі атоми одного і того ж елемента однакові і рівні по вазі. В сучасній науці хімічними елементами називають речовини, що мають постійні властивості і не подільні на інші складові ніяким хімічним втручанням. Друга частина його визначення - рівність по вазі всіх атомів даного елемента - чиста гіпотеза

Лише в 1886 р. Вільям Крукс висунув іншу точку зору. Крукс добре розумів, що до тих пір, поки атомна вага елементів визначається не для окремих атомів, а як середня вага дуже великого їх числа, то пропозиція про різну атомну вагу окремих атомів одночасно і того ж елемента не може бути обгрунтованою. Крукс запропонував правильну думку про те, що у атомів даного елемента, які мають різну вагу, повинні бути різні оптичні спектри. При подальшому дослідженні вияснилось, що спостережувані ним спектри справді належали іншим елементам, які були присутні в досліджуваній речовині у вигляді домішок.

Тепер ми знаємо, що Крукс був правий і що атоми одного і того ж елемента але різної ваги існують і дійсно дають різні спектри. Крім того, тепер зрозуміло, чому їх не змогли побачити тоді: розділення таких атомів дифузією малоефективне і потребує застосування надзвичайно тонкої методики, якої на той час не було.

Ідея про атоми одного елемента, які мають різну вагу, була на довгий час (на цілі десятиліття) відкинута.

Тільки в 1916 р. в зв’язку з розвитком досліджень по радіоактивності Фредерік Содді висловив ідею про речовини, ідентичні по своїх хімічних властивостях, але які мають різну атомну вагу. Було показано існування речовини з однаковими хімічними властивостями і різною атомною вагою.

Содді запропонував такі речовини називати ізотопами (по грецьки (((( - однаковий, ((((( - місце).

4. Зважування "мішка" атомів

Багато років хіміки мали справу лише з відносними атомними вагами елементів. Коли потрібно було розробити методи визначення абсолютної ваги атомів, то на допомогу прийшли фізики. Вони застосували свої дуже чутливі методи дослідження.

Таким чином, поставлена мета була досягнута: була визначена маса атомів різних елементів. Однак як і слід було очікувати від методу зважування мішка зерен, для кожного елемента було лише середнє значення маси даного типу атомів.

В звичайному стані атом будь-якої речовини електрично нейтральний. Якщо його розділити, то одержуються дві частки і обидві електрично заряджені. Їх називають іонами. При цьому негативним іоном є електрон, а позитивним - ядро атома з декількома електронами, що залишились. Позитивний іон є носієм індивідуальності атома, а також майже всієї його маси (більше 99,9%). Таким чином, бажаючи визначити масу атома, ми можемо зважити відповідний позитивний іон.

Подивимось, як цим скористався Томсон для визначення маси іонів. Потрібно було одержати пучок позитивних іонів. Для цього він виготовив установку (рис. 1) на якій посудина С через відповідні отвори О1 і О2 заповнюється досліджуваним газом. До електродів А і К прикладено високу напругу ~(3-5)(104 В. Під дією напруги електрони вириваються із атомів і газ в посудині іонізується. Електрони прямують до позитивно зарядженого електрода +А, а позитивні іони - відповідно до негативного електрода -К. В негативному електроді зроблено циліндричний отвір - канал, через який пучок позитивних іонів виводиться в ліву частину установки. Попутно ці іони проходять між зарядженими електродами +U і -U та полюсами магніту, що утворюють магнітне поле (див. рис. 1).

Для виключення взаємного впливу і можливих спотворень обидві частини установки розділили магнітним екраном, що зроблений з м’якого заліза. Таким чином, пучок іонів досягає фотопластинки вже зазнавши відхилення в електричному і магнітному полях. Екран служить для візуального спостереження зміщення пучка іонів і використовується при налагоджуванні установки.

Якщо б іони мали однакові заряди, масу і швидкість, то при включенні електричного поля вони відхилялися б вниз і потрапили в точку 1 (рис. 1). Точка 0 відповідає невідхиленому пучку. При тих же умовах і включенні лише магнітного поля іони відхилились би і потрапили в точку 2. При включенні обох полів одночасно іони потрапляють в точку 3. Однак це справедливо лише при однакових



Рис. 1. Принципова схема установки Томсона для визначення маси іонів.

зарядах, масах і швидкостях іонів. Чи справджується ця умова в даній установці? Виявилось, що заряд більшості іонів рівний +1 (в одиницях елементарного заряду), а в деяких +2. При цьому розрізнити такі іони не складає великих труднощів. Що стосується швидкості, то вона зовсім не однакова для різних іонів.

Таким чином реальною умовою досліду є твердження, коли заряди і маси іонів однакові, а швидкість різна. При цьому під дією електричного і магнітного полів іони потрапляють вже не в одну і ту ж точку, а в залежності від швидкості розміщуються по відрізку параболи. Якщо в посудині С міститься не один газ, а суміш декількох, то пучок позитивних іонів складається з декількох груп іонів з різною масою. Тоді на фотопластинці одержується зображення декількох відрізків параболи. Причому кожен відрізок відповідає іонам з однією і тою ж масою.