تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

يُعتبر الوزن الذري (الكتلة الذرية) أحد أكثر المفاهيم الكيميائية أهمية، وقد تعرّف الكيميائيون القدماء على الوزن الذري لكثير من العناصر، ولعل دالتون من أوائل من تكلم عن مفهوم الوزن الذري للعناصر، وكانت المشكلة حينها كيف يمكن قياس أوزان هذه الجسيمات المتناهية في الصغر، مما جعل العلماء يتجهون إلى محاولة تقدير الأوزان النسبية للعناصر بدلاً من تحديد أوزانها مباشرة، وفعلاً تمّ الحصول على الأوزان الذرية النسبية لبعض العناصر من معلومية النسب المئوية للعناصر في المركبات.

تمّ اعتبار نظير الكربون المعروف جيداً مرجعاً قياسياً لكتل الذرات، وأُعطيت له كتلة تساوي 12 وحدة كتلة ذرية atomic mass unit) (amu))، وعرفت وحدة الكتلة الذرية حينها بأنها عبارة عن جزء من اثني عشر جزءاً من كتلة ذرة كربون واحدة. وبناءً على ذلك، فقد عدلت الكتلة الذرية للكربون بالقيمة (12.011 وحدة كتلة ذرية)، حالياً بالإمكان تحديد الأوزان الذرية للعناصر بكل سهولةٍ ودقة عن طريق جهاز المطياف الكتلي (The Mass Spectrometer).

ما هو المطياف الكتلي؟

هو جهازٌ يقيس الانحراف المغناطيسي لذراتٍ مشحونة، وهو مفيدٌ للغاية لكونه يقوم بتحديد كتل النظائر، ووفرتها النسبية في الطبيعة، كما أنه جهاز يستخدم لفصل الذرات، أو الجزيئات، أو الأيونات بناءً على نسبة كتلتها إلى شحنتها.

طريقة العمل

تعتمد فكرة جهاز المطياف الكتلي الذي يشبه إلى حدٍّ كبير الجهاز الذي استخدمه تومسون في قياس نسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته، على قياس نسبة شحنة الجسيمات (الذرات) إلى كتلتها، حيث يتمُّ قذف الذرات بالإلكترونات لتتكون أيوناتها الموجبة.

ومن ثم تسرّع هذه الأيونات خلال فتحة مستطيلة، وتتقوس في مسارٍ دائري بواسطة تطبيق حقلٍ مغناطيسي والجسيمات المختلفة في قيمة نسبة (الشحنة إلى الكتلة) سوف تتبع مساراتٍ مختلفة، ومن خلال تحديد هذه النسبة للأيونات الموجبة وبمعلومية قيمة الشحنة يمكن حساب وزنها الذري.

الاستخدامات

للمطياف الكتلي استخدامات عديدة:

1- يستخدم لتحديد كتل العناصر، وتعيين الوفرة النسبية للنظائر في خليطة ما.

2- تعيين الوزن الذري للعناصر.

3- من معرفة كتل النوى يمكن معرفة طاقات الارتباط التي تربط بين النيكلونات في النوى.

4- يمكن تعيين نسبة شحنة الأيون إلى كتلته.

5- يستخدم في المجالات الطبية لتشخيص الأمراض من خلال قياس المؤشرات الحيوية، كقياس أنزيم الأميليز كمؤشر حيوي لتشخيص التهاب البنكرياس، كما يستخدم لمعرفة الملف الأيضي للعوامل الدوائية. ^[1]

جهاز المطياف الكتلي لتومسون

صُمّم أول مطياف كتلة بواسطة البريطاني تومسون، وهو يتألف من: منبع للأيونات يتبعه محلل أو عدة محللات تعمل على فصل الأيونات الناتجة بموجب نسبة كتلتهم m إلى شحنتهم q أي النسبة (m/q)، وكاشف يعمل على عدّ الأيونات، وتضخيم الإشارة الناتجة. في النهاية يتمُّ الحصول على طيف الكتلة الذي يمثل العلاقة بين النسبة (m/q) للأيونات المعدودة على محور السينات، والوفرة النسبية لهذه الأيونات على محور الصادات.

المكونات

هناك نماذج مختلفة لأجهزة المطياف الكتلي، ولكن كلها تشترك في المكونات الرئيسية: منبع الأيونات الذي ينتج الأيونات، ومحلل، وكاشف: ^{[2] [3]}

1- منبع الأيونات (Ion Source)

يتمُّ في هذا المنبع إنتاج الأيونات للمادة المراد تحليلها (معرفة كتلتها)، ويمكن أن ينتج المنبع الأيونات بطرقٍ مختلفة: منها بواسطة قذف الغازات بالإلكترونات أو بتسخين فتيلةٍ مطلية بطلاءٍ مناسب، ويمكن الحصول على الأيونات الموجبة أو الأيونات السالبة حسب الغاية المنشودة. إن الأيونات الموجبة للمعادن التي يمكن تبخيرها، ويمكن الحصول عليها بواسطة قذف الغاز عند ضغطٍ منخفض بواسطة إلكترونات ذات طاقةٍ حركية ([math]100\geq [/math]) إلكترون فولت.

2- المحلل (Analyzer)

تُفصل الأيونات الناتجة من منبع الأيونات تبعاً لنسبة كتلتها إلى شحنتها (m/q)، هناك محللات ذات قدرة فصلٍ منخفضة، مثل: رباعي القطب، ومحللات ذات قدرة فصلٍ عالية، مثل: محللات ذات قطاعٍ مغناطيسي مرتبط بقطاع كهربائي، ومحللات تعتمد طريقة زمن الطيران (Time of Flight).

3- الكاشف

يحول الكاشف الأيونات التي تصله من المحلل إلى إشارة إلكترونية، وكلما كان عدد الأيونات أكبر كان التيار أهم، أيضاً يقوم الكاشف بتضخيم الإشارة الإلكترونية لتتمّ معالجتها بمقياس محلل المعطيات.

 مكونات جهاز المطياف الكتلي ذو القذف الإلكتروني

يتكون مما يلي: ^[4]

1- منبع الأيونات: ويتكون من مسخنٍ للعينة لتحويلها إلى غاز، فتيلة تسخين لإنتاج الإلكترونات.

2- مصيدة الإلكترونات.

3- صفائح التسريع.

4- مغناطيس.

5- كاشف.

آلية عمل جهاز المطياف الكتلي ذو القذف الإلكتروني

تحقن العينة في المنبع، وتسخن لتحول إلى غاز ثم تقذف بالإلكترونات الصادرة من الفتيلة، فإذا كانت الطاقة الحركية لهذه الإلكترونات كافيةً تستطيع هذه الإلكترونات تأيين ذرات العينة، وينتج أيونات موجبة وإلكترونات سالبة، حيث يتمُّ التقاط الإلكترونات السالبة من قبل مصيدة الإلكترونات. أما الأيونات الموجبة، فتسرع بتمريرها بين صفائح معدنية مشحونة (صفائح التسريع)، وبهذا نحصل على حزمةٍ من الأيونات، يمكن تعيين سرعة حركة الأيونات من العلاقة التالية:^[5]

[math]\frac{1}{2}mv^{2}= qV[/math]

حيث فرضنا أن شحنة الأيون [math]q= ne[/math] حيث تمثل m كتلة الأيون و v سرعته، e شحنة الإلكترون و V جهد التسريع.

إن الأيونات الناتجة في منبع الأيونات يكون لها نفس الطاقة الحركية تقريباً، ولكن الأيونات التي لها كتل مختلفة سيكون لها كميات حركة مختلفة، ولتبئير الأيونات التي لها نفس الكتلة، تمرّر هذه الأيونات ضمن قطاع Sector مغناطيسي في أنبوبةٍ مفرغة، حيث يكون الحقل المغناطيسي عمودياً على مستوي مسار الأيون.

إن قوى لورنتز سوف تحرف الأيونات عن المسار المستقيم، ويكون انحراف الأيونات الخفيفة أكبر من انحراف الأيونات الثقيلة، وذلك وفق قانون نيوتن الثاني للحركة (حيث تسرع الجسيمات بشكلٍ يتناسب عكساً مع كتلتها). يمكن معرفة نصف قطر انحناء المسار من شرط مساواة قوى لورانتز qvB مع القوة النابذة المركزية الناتجة عن حركة أي جسيم مشحون [math]\frac{mv^{2}}{r}[/math].

[math]qvB= \frac{mv^{2}}{r}[/math]

[math]r= \frac{mv}{qB}[/math]

وبالتالي تكتسب الأيونات نفس الطاقة الحركية، ولكن الأيونات المختلفة بالكتلة سيكون لها كميات حركة مختلفة، وأنصاف أقطار انحناء المسار مختلفة. يقيس الكاشف الانحراف لكل شعاعٍ أيوني ناتج، وبذلك يمكن تحديد النسبة [math]\frac{m}{q}[/math] لكل الأيونات الناتجة في المنبع، حيث يمكننا وفقاً للعلاقة السابقة أن نكتب

[math]\frac{m}{q}= \frac{rB}{v}[/math]

إذاً بمعرفة شدة الحقل المغناطيسي، نصف قطر انحناء مسار الأيون، وسرعة الأيون يمكن معرفة النسبة [math]\frac{m}{q}[/math]، وهكذا يسجل الكاشف الإشارة الناتجة عن الشعاع الأيوني (الأيونات التي لها نفس النسبة[math]\frac{m}{q}[/math]) ويضخمها، وفي النهاية نحصل على طيف الكتلة الذي يعطي الوفرة النسبية بدلالة النسب [math]\frac{m}{q}[/math] للأيونات.

تصدر الأيونات من المنبع بسرعاتٍ مختلفة، فإذا مررت في حقل كهربائي متعامدٍ مع حقل مغناطيسي، فتتأثر الأيونات بالحقلين الكهربائي والمغناطيسي، بحيث يكون اتجاه القوة الكهربائية للأسفل، واتجاه القوة المغناطيسية للأعلى، وهذا سيؤدي إلى أن الأيونات المتحركة بسرعةٍ معينة (وهي السرعة التي تتساوى من أجلها القوة الكهربائية مع القوة المغناطيسية)، تتحرك في خط مستقيم، بينما الجسيمات المتحركة بسرعاتٍ أخرى ستنحرف عن المسار المستقيم، ويتمُّ تحديد هذه السرعة باستخدام قانون لورنتز.

[math]qE= qv\times B\Rightarrow v= \frac{E}{B}[/math]

بتغيير قيمة أحد الحقلين يمكن اختيار حزمةٍ من الأيونات بسرعةٍ معينة، لذلك يمكن أن نطلق على الحقل المغناطيسي المتعامد مع الحقل الكهربائي اسم مرشح السرعة، حيث تخرج منه الأيونات بسرعةٍ تساوي [math]\frac{E}{B}[/math]، وبعدها يطبق على هذه الأيونات ذات السرعة المتماثلة حقل مغناطيسي منتظم B₀، وبالتالي تسلك هذه الأيونات خلال الحقل المغناطيسي مساراً دائرياً نصف قطره r وتتحدد قيمة r من العلاقة. ^[5]

[math]r= \frac{mv}{qB_{0}}= \frac{m}{qB_{0}}\frac{E}{B}[/math]