Юный техник, 2004 № 09

Обычно в лабораториях при этом используют прибор Свентославского, представляющий собой довольно сложную конструкцию из стекла, обращаться с которой приходится с особой осторожностью. А поскольку далеко не все вещества легко превращаются при нагревании в пар, то для анализа особо тугоплавких веществ используют тот факт, что с повышением содержания примеси температура плавления смеси понижается. Это правило используют и для самой очистки вещества. Стержень из него расплавляют на узком участке, а затем медленно передвигают нагреватель, смещая таким образом зону плавления. И все примеси постепенно смещаются к одному концу стержня.

Такой способ зонной плавки, например, очень выручил создателей первых полупроводников, которым были нужны материалы исключительной чистоты (99,999 %), но и с его помощью отдельную молекулу не взвесить.

Примерно так выглядят на графике диаграммы рассеивания «ядер» — молекул разного удельного веса; сильнее всего отклонятся в магнитном поле наиболее легкие частицы.

Положение не спасло и предложение пойти «от обратного». Некоторые вещества при анализе теперь не расплавляют, а, напротив, замораживают. И замеряют температуру замерзания смеси с помощью, например, термометра Бекмана — длинного лабораторного градусника, устроенного так, что на его шкале отмечены не только десятые, но даже тысячные доли градуса.

При этом известно, что если чистая вода замерзает при 0 °C, то соленая — при более низкой температуре. И чем выше соленость, тем ниже точка замерзания. Таким образом, кстати, удается довольно точно замерять не только соленость, скажем, проб морской воды, но и опреснять ее. Известно, например, что в природе довольно часто ледовые поля Северного Ледовитого океана состоят из пресного льда, с вмороженными в него капсулами особо соленой и потому не замерзшей воды.

Химиков не устраивает лишь то, что для большей точности анализируемую жидкость приходится постепенно охлаждать несколько раз, на что обычно уходит не менее 2–3 часов. Так что ни о какой оперативности анализа не может быть и речи. Да и вещества должно быть никак не менее нескольких сот миллиграммов.

Сумасшедшая стрельба

Даже самые умудренные опытом химики были поражены, когда физики предложили им использовать для анализа и взвешивания вещества своего рода… пушку. Но согласились, поняв суть дела.

Представьте себе кучу ядер из разных материалов, сваленных вперемешку — каменных, чугунных, даже деревянных. Их, конечно, неплохо было бы рассортировать. И вот некий сумасшедший артиллерист-вояка предлагает сделать это следующим образом.

«Все ядра хоть и одинакового диаметра, но различного веса, — рассуждает он. — Самые легкие — деревянные, затем следуют каменные и, наконец, чугунные. Стало быть, если каждый раз при выстреле мы будем закладывать в пушку одно и то же количество пороха, то дальше всех полетят деревянные ядра, ближе упадут каменные и, наконец, совсем неподалеку — чугунные. Остается расставить на соответствующей дистанции ящики и ловить в них ядра»…

Идея, казалось бы, сумасбродная. Хотя бы потому, что наш артиллерист не учитывает разброса ядер при стрельбе, сопротивления воздуха и многих других факторов. Но… Примерно так ведь и работает современный масс-спектрограф. Берется ничтожная крупинка вещества и испаряется в камере, где создан почти космический вакуум (давление одной около стотысячной доли миллиметра ртутного столба). В таких случаях, например, многие органические вещества — наиболее сложные для анализа — превращаются в пар, состоящий из отдельных не связанных друг с другом молекул, даже без нагрева.

Потом этот пар облучают пучком электронов. Сталкиваясь с молекулами, электроны, словно ядра, вышибают из молекул своих собратьев, превращая молекулы в положительно заряженные ионы. В результате такой операции масса самой молекулы изменится лишь на величину массы электрона, а она ничтожна, зато она приобретет электрический заряд, с помощью которого ее легче отсортировать от других.

С этой целью ионы сначала разгоняют электрическими полями, а потом пропускают поперек силовых линий магнитного поля. При этом возникает сила Лоренца, пропорциональная заряду, скорости и напряженности поля, а также массе иона. Чем ион легче, тем сильнее он отклонится под действием магнитного поля. Молекулы-ядра разной массы попадут в различные «ящики»-секции специальной мишени, выбивая из нее опять-таки электроны. Возникает вторичный ток, который затем усиливают и фиксируют либо на фотопленке или на ленте самописца, либо на дисплее компьютера.

В итоге получаются графики с кривыми распределения Гаусса, по которым и судят, какие молекулы самые легкие, а какие — самые тяжелые. При этом аналитики могут по показаниям масс-спектрографа определить массу даже одной-единственной молекулы.