Minimaalne elektronile või prootonile omase laengu suurus (elementaarlaeng ehk e) kulonites leiti Millikan'i ja Fletcher'i õlitilkade eksperimentidega.
Korraldajad oletasid, et kui vedelik pihustatakse läbi peenikese augu, siis kogub see hõõrdumisega laengu ja vahel kasutasid nad ka röngtenkiirgust osakeste ioniseerimiseks. Vedelik pihustati paralleelsetele metallplaatidele ja teada oli, et elektri läbijuhtimisel liiguvad osad tilgad vastasplaadile. Selle toimumiseks pidi elektrienergia ületama vähemalt gravitatsiooni mõju nende massile. Kõik tilgad ei kogunud selget laengut. Mikroskoobi ette jõudnud tilgad olid maksimaalse kukkumiskiirusega ning neid sai elektrilise välja tekitamisel samaaegselt läbisegi vastavalt laengule tõusma või kiiremini kukkuma panna. Klipp. Mikroskoobis nähtava skaala juures paistis, et voolu mõjul oli näha järjepidevalt mitmekordse kiiruse erinevusega liikumist. Paistis minimaalne laeng q, mis erines tilkade vahel täisarv korda q jagu. Mõnel tilgal võis tõus olla kaks korda energilisem kui teistel ja üksiklaengute mõju oli üldiselt mõõdetav ning leitud elementaarlaengust väiksemat mitteneutraalset laengut neil tilkadel ei paistnud. Sellisel viisil väljauuritud elementaarlaengu eest sai Millikan Nobeli preemia. Hiljem leitud kvarkide laengud paistsid 2/3 või 1/3 elementaarlaengust.
Kuloni jagu laenguga osakesi suudavad sekundis ühe voldise pinge erinevuse läbimisel teha tööd, mis on lähedal 100 grammile mõjuva gravitatsiooniga.
Prooton ja elektron omavad vastasmärgiliselt võrdses suurusjärgus laenguid kuigi prooton on seejuures elektronist ~1836 korda massiivsem. Laengu suurust mõõdetakse kulonites.
120 vatisest elektripirnist voolaks sekundis 120 vahelduvvooluga voldi juures läbi ühe kuloni jagu laengut.
1 meetri kaugusel tõukuks kaks 1 kulonise laenguga punkti omavahel 9 miljardi newton'ilise jõuga.
Laengu jõust.
Hüpoteetilise olukorrana kui 1 kg peaks olema ~1 aatomi suuruseks kokku surutud ja kui 2 sellist moodustist peaks olema 1 nanomeetrise kaugusega, siis 1 nm ehk 10-9 meetrit ruudus oleks 10-18 . Jagades selle murru ülaosaga saab 10 astmes1018. Korrutades selle G'ga saaks ~6 x 107 N, mis oleks Maal ~6 tonnile mõjuv raskusjõud. Ehk on sellel viimasel lõigul niipalju sisukust, et kui massi või laengut väga tihedalt kokku ajada ning saadu ruumis üksteisele lähedale ajada, siis võivad ka silmale nähtamatud hüpoteetilised osakesed igapäevaelusgi nähtavaid väga võimsaid vastastikmõjusid omada.
Elektroni mass leiti vaakumis loodud katoodkiirte (elektronkiirte) abil. Esimest korda vaadeldi neid kiiri 1869. aastal. Elektronide vabastamiseks on kasutatud põhiliselt kahte meetodit. Külmade katoodkiirte puhul luuakse suur elektrilise potentsiaali erinevus elektroodide vahel, mis ioniseerib gaasi kuni neilt eralduvad elektronid. Kuumade katoodkiirte puhul saadakse vabad elektronid omaette vooluringi omava hõõgniidiga, mis kuumutab gaasi selleni, et soojusliikumise kokkupõrked löövad elektronid aatomite küljest lahti, misjärel need tõmbuvad positiivsema laenguga anoodi suunas. Tänapäeval kasutatakse üldiselt kuumasid katoodkiiri.
Vaakumis tekkis tugeva negatiivse laenguga katoodi juures klaastorusse allesjäänud gaasimolekulidelt eralduvate elektronide kiir, mis on küll tõmbega positiivse anoodi suunas kuid lendab sellest inertsiga mõõda kuna kiirus võib olla kümneid protsente valguse kiirusest põrkudes lõpuks klaasiga. Kuna selline kokkupõrge moonutab lühiajaliselt muuhulgas klaasi aatomite elektronorbitaale, siis kaasneb kiiresti elektronkihtide normaliseerumine ja sellega koos sinakasrohelist valgust tekitavate footonite eraldumine. Kui elektrone kiirendati ~5000 voldise või suurema pingega, siis olid kokkupõrked klaasiga piisavalt energilised, et luua röngtenkiirgust. Hiljem loodud telekakineskoopidel oli röngtenkiirgus ka üheks kõrvalnähuks lisaks nähtavale valgusele. Röngten märkas selliste vaakulampidega töötades, et elektri läbijuhtimisel võisid ümbruses olevad fotoplaadid helendada isegi kui raamatud ette panna. 1895. aastal avaldas Röngten esimese artikli sellest kiirgusest ja sai 1901. aastal kõige esimese Nobeli preemia füüsikas.
J. J. Thomson kasutas neid kiiri ainete täpsemaks uurimiseks. Elektroni massi arvutamiseks hiljemalt 1897. aastal saatis ta elektronide kiire läbi magnetvälja (nagu ülal pildil), mis painutas elektronkiire trajektoori positiivse elektroodi vastu ja teistes katsetes jättis ta elektronide kiirele ette kokkupõrgetel soojeneva objekti, millest sai elektronidelt tulnud kineetilist energiat arvutada. Esialgsema hinnanguna järeldas ta, et elektron oli vesiniku aatomist vähemalt 1000 korda kergem ning elektroni mass ei sõltunud selle allikaks olnud elementidest.
Samuti sai elektronide juga painutada lisaks magentväljale ka elektriväljas positiivselt laetud plaadi suunas.
Edasi kasutas Thomson sarnast nähtust (anoodkiiri) veidi teistsuguse ehitusega keskkonnas. Selles oli katood auklik ja tuhandete voltidega pandi hõõguma katoodi-anoodi vaheline keskkond kuid kuna positiivsed ioonid tõukusid eemale anoodist, siis sai elektronide eraldamisel tekkinud osakesi vastavalt laengule vastassuundades saata. Elektronid liikusid anoodi suunas kuid nende eraldumisel tekkinud positiivsed ioonid omasid tõmmet katoodi suunas saades eemaletõukavat kiirendust postiivse anoodi juurde sattudes. Eelnevalt lisati fotoplaadid kuhu need kiired jäljed jätsid. Kasutades gaasilist vesinikku saab luua gaasiliste prootonite ja elektronide joad, mis liikusid elektri ja magnetväljas vastupidise suunaga Teiste gaaside puhul käitusid elektronijoad endiselt kuid katoodi aukudest läbi lennanud positiivsete ioonkiirte suunamine vajas tugemavamat elektromagneetilist mõjutamist.
Sellistel saadud fotodel jätavad eri keemilised elemendid, isotoobid või ioonid jälgi erinevatesse kohtadesse ning Thomson sai visualiseerida esimeste isotoopidena neoon-20 ja neoon-22. See oli algeline näide mass-spektromeetriast, mis tuvastab ainete koostist selle ioniseerimisega ja järgneva vaatlusega pärast elektromagnetväljas kõrvale painutamist.
Hiljem sai Thomson "gaaside elektrijuhtivuse uurimise" eest Nobeli preemia.
Mass-spektromeetrias muudetakse uuritav materjal gaasiks, kiirendatakse, painutatakse lennus olles magnetitega või elektriväljaga nende trajektoori ja lastakse põrkuda lõppus oleva elektroodidega täidetud pinna vastu, mis salvestab nende asukohad.
Gaasiks muudetud aatomid või molekulid ioniseeritakse näiteks saates nad läbi elektronkiire. Lisades elektronkiire juurde anoodi tekib tugev tõukejõud elektronist ilma jäänud osakestele, mis kiirendab need edasi. Massi ja laengu suhte eristamiseks peab neid eelnevalt elektromagneetiliselt suunama. Saadud ioonide massi ja laengu suhte järgi eristuvad erinevad ained ning nende isotoobid.
Üheks osakesi eristavaks omaduseks nende erinev liikumisaeg detektorini, sest kuigi kineetiline energia ja laeng võivad pärast kiirendamist (näiteks +1 laenguga prootonil või uraani ioonil) identne olla, kulub massiivsemal aatomil rohkem aega detektorini jõudmiseks.
Ülaillustratsioon on üks paljudest võimalike formaatidest detektori tulemuste näitamiseks. Massi/laengu (kilogramm/kulon) suhe on tähistatud vastavalt m/z teljel ja kokkupõrgete intentsiivus detektorile vertikaalteljel.
Sellise meetodiga saab eristada ka erinevate süsiniku isotoopide hulka ja määrata nende umbkaudset vanust. Bioloogias kasutatakse mass-spektromeetriat ka peptiidide koostise määramiseks kuigi need võivad koosneda rohkem kui tuhandetest kindlas järjekorras olevatest aatomitest. Tekkinud molekulijuppide signaale saab automaatselt eristada arvutiprogrammidega, mis võrdlevad signaalitulemuste kombinatsioone andmebaasides teadaolevatele molekulidele omaste signaalide kombinatsioonidega.
No comments:
Post a Comment