द्रव्यमान वर्णपट विज्ञान

द्रव्यमान वर्णपट विज्ञान

एखाद्या वायुरूप नमुन्यापासून मिळालेल्या अणूंचे किंवा रणूंचे आयनीकरण (विद्युत् भारित अणू, रेणू वा अणुगट यांत रूपांतर) करून त्यांचे अभिज्ञान (ओळख), त्यांचे द्रव्यमानानुसार वर्गीकरण व विश्लेषण करण्याचे शास्त्र. द्रव्यमान वर्णपटलेखक किंवा द्रव्यमान वर्णपटमापक ही वर दिलेली कार्ये करणारी साधने आहेत.

ज्याप्रमाणे काचेच्या लोलकाच्या साहाय्याने प्रकाश तरंगाच्या कंप्रतेनुसार (दर सेकंदाला होणाऱ्या कंपनसंख्येनुसार पृथक्करण करण्याच्या साधनाला (प्रकाश) वर्णपटलेखक किंवा वर्णपटमापक असे म्हणतात त्याचप्रमाणे या साधनांत कणांच्या द्रव्यमानांनुसार पृथक्करण होत असल्यामुळे कार्याच्या साधर्म्यानुसार यांना मास स्पेक्ट्रोग्राफ (द्रव्यमान वर्णपटलेखक) किंवा मास स्पेक्ट्रोमीटर (द्रव्यमान वर्णपटमापक) अशी अन्वर्थक नावे प्रथम एफ्. डब्ल्यू. अ‍ॅस्टन (१८७०–१९४५) या शास्त्रज्ञांनी दिली. द्रव्यमान वर्णपटलेखक व द्रव्यमान वर्णपटमापक यांमध्ये अणू वा रेणू आयनांच्या अभिज्ञान करण्याच्या पद्धतीमध्ये फक्त फरक आहे. पहिल्यात कणांचे अभिज्ञान छायाचित्रणाद्वारे केले जाते, तर दुसऱ्यात ते विद्युत् पद्धतीने होते. सर्वसाधारपणे या उपकरणात खालील तीन मुख्य विभाग असतात.

(१) धन आयन उद्गम : यामध्ये विद्युत् दृष्ट्या उदासीन असलेल्या अणू अथवा रेणूमधून इलेक्ट्रॉन मुक्त करून त्याचे आयनीकरण केले जाते. या क्रियेमुळे घन व ऋण आयन सम संख्येत निर्माण होतात. योग्य विद्युत् क्षेत्राची योजना करून यांपैकी धन आयन आकर्षित करून त्याची शलाका मिळविली जाते. आयनीकरण करण्याचे अनेक मार्ग आहेत. त्यापैकी विरल वायूत विद्युत् विसर्जन करणे ही सर्वांत सोपी रीत आहे.

(२) धन आयनाचे विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्रात विचलन : धन आयनांचे विद्युत् चुंबकीय क्षेत्रात होणारे विचलन त्यांच्या गतिज उर्जेच्या व्यस्त प्रमाणात असते, तर चुंबकीय क्षेत्रातील विचलन त्यांच्या संवेगाच्या (द्रव्यमान व वेग यांच्या गुणाकाराच्या)व्यस्त प्रमाणात असते. त्यामुळ या दोन्ही क्षेत्रात होणाऱ्या त्यांच्या विचलनाचे मापन केले असता धन आयनाचे द्रव्यमान व वेग या दोन्ही प्रचलांची (विशिष्ट परिस्थितीत विशिष्ट मूल्ये धारण करणाऱ्या राशींची) मूल्ये मिळू शकतात.

(३) अभिलेखन : आयनांचे अभिलेखन (नोंदणी) छायाचित्रणाद्वारे अथवा विद्युत् मापनाने करता येते. ज्याप्रमाणे छायाचित्रण पट्टिकेवर प्रकाशाचा परिणाम होतो तसाच परिणाम अशा पट्टिकेवर धन आयन पडले असताही होतो असे आढळते. विद्युत् मापन पद्धतीत धन आयन एका पट्टिकेवर पडून आपला विद्युत् भार तिला देतात. पट्टिकेला प्रती से. मिळत असलेला विद्युत् भार योग्य उपकरणांद्वारे मोजून तीवर पडणाऱ्या धन आयनांचे अभिज्ञान आणि त्यांच्या संख्येविषयी अंदाज करता येतो.

आ.१. टॉमसन धन किरण विश्लेषक: ( १) वायू विसर्जन नलिका, ( २) ऋणाग्र व त्याला मध्यभागी पाडलेले बारीक व लांब छिद्र, ( ३) १ मधून निघालेले धन किरण, ( ४) विद्युत् क्षेत्र निर्माण करणाऱ्या विद्युत् भारित पट्ट्या, ( ५) चुंबकाचे उत्तर व दक्षिण ध्रुव, ( ६) छायाचित्रण पट्टिका, ( ७) निर्वात करणाऱ्या पंपाकडे.

टॉसमन धन किरण विश्लेषक

ई. गोल्डस्टाइन या जर्मन शास्त्रज्ञांनी प्रथम धन किरणांचा शोध लावला. द्रव्यमान वर्णपट लेखकाची सुरुवात प्रथम जे. जे. टॉमसन यांच्या धन किरण विश्लेषकापासून झाली. याची रचना आ.१ मध्ये दाखविली आहे. यामध्ये डब्ल्यू. वीन यांच्या विभेदी निर्वातीकरण योजनेचा उपयोग केला आहे.

ऋणाग्र व धनाग्र असलेल्या एका वायू विसर्जन नलिकेचा त्यांनी वापर केला होता. यामध्ये विरल वायू होता व त्यावर कित्येक सहस्त्र व्होल्ट एवढा विद्युत् दाब लावला होता. ऋणाग्राच्या मध्यभागी एक बारीक छिद्र होते. विद्युत् दाबामुळे धन आयन त्या दिशेने प्रवेगित होऊन जडत्वामुळे ते छिद्र पार करून त्यापलीकडे असलेल्या निरीक्षण अवकाक्षात शलाकेच्या स्वरूपात मिळत होते.

निरीक्षण अवकाक्षात विद्युत् वर्चस् (विद्युत् पातळी) नसल्यामुळे तो विद्युत् निरोधक विभाग होता. निरीक्षण अवकाक्षात धन आयन शलाका निर्भार वायुकणांतून जात असल्यामुळे आयन व कण यामध्ये परस्परक्रिया होऊन त्यांमध्ये सारखी इलेक्ट्रॉनांची देवघेव होत असते. या क्रियेमघ्ये निभार कणातील इलेक्ट्रॉन धन आयनाकडे आकर्षित होऊन तो निर्भार होतो व ज्या कणाने इलेक्ट्रॉन गमावलेला असतो त्याचे धन आयनात रूपांतर होते.

निरीक्षण विभागात प्रवेगी विघुत् वर्चस् नसल्यामुळे या नवीन निर्माण झालेल्या धन आयनाच्या ऊर्जेत वाढ होत नाही व ते मंदगतीचेच राहतात. इलेक्ट्रॉन देवघेव क्रियेचे स्वरूप खालील समीकरणावरून जास्त स्पष्ट होईल.

A⁺ (दुतगती) + A (मंदगती) → A⁺ (मंदगती) + A (द्रुतगती) या प्रक्रियेमुळे एका द्रुतगती धन आयनाचे रूपांतर एका मंदगती आयनात होते. ही क्रिया एक सारखी होत असल्यामुळे कोणताही एक विशिष्ट धन आयन आयनावस्थेत मर्यादित काळापर्यंतच राहत असल्यामुळे त्याचे विद्युत् अथवा चुंबकीय क्षेत्राद्वारे विचलन करणे अवघड होते.

विभेदी निर्वातीकरण योजना वापरुन वीन यांनी प्रथम ही अडचण दूर करून धन आयनाचे विचलन करणे शक्य केले. या योजनेमध्ये निर्वात पंप वायू विसर्जन नलिका प्रणालीला अशा ठिकाणी जोडला होता की, ज्यामुळे निरीक्षण विभागातील निर्वात स्थिती विसर्जन विभागातील निर्वात स्थितीपेक्षा खूपच पटींनी जास्त होती. विसर्जन विभागात निर्वात जास्त केला, तर तेथे धन आयनांची निर्मिती होण्याकरिता पुरेसे मुबलक वायुकण उपलब्ध होणार नाहीत.

निरीक्षण विभागात उच्च निर्वात ठेवल्यामुळे इलेक्ट्रॉन देवघेव क्रियेची संभाव्यता खूप कमी होते. विभेदी निर्वातीकरण करण्याकरिता ऋणाग्राचे छिद्र आकारमानाने लहान (≈१ मिमी. व्यास) पण लांबीने (१५–२५ सेंमी.) जास्त असे ठेवलेले असते. धन आयन शलाका या प्रकारच्या छिद्रातून जात असल्यामुळे तिचे चांगल्या प्रकारे समांतरण (समांतर किरणात रूपांतरण) होते. ज्या द्रव्यमान वर्णपटात धन आयन तस तंतू, आयन प्रज्योत उद्‌गम इ. प्रकारे मिळविले जातात अशा उपकरणांत विभेदी निर्वातीकरणाची आवश्यकता राहत नाही.

या प्रकारच्या आधुनिक उपकरणांत असलेला निर्वात खूपच उच्च प्रतीचा म्हणजे १०^{– ६} टॉर म्हणजे १ मिमी. पाऱ्याच्या स्तंभाचा दाब) या मूल्याचा असतो. छिद्रातून बाहेर पडलेल्या शलाकेला लंब अशी चुंबकीय व विद्युत् क्षेत्रे लावलेली असतात. त्यामुळे धन आयनांचे विचलन होते आणि ते शेवटी छायाचित्रण पट्टिकेवर पडून तेथे आपले ठसे उमटवितात. ह्या आयनांचे वेग भिन्नभिन्न असतात. तरीही विशिष्ट e/M (विद्युत् भार व द्रव्यमान यांचे गुणोत्तर) असलेल्या सर्व आयनांचा ठसा म्हणजे एक अन्वस्ताकार वक्र असतो. e/M ची मूल्ये बदलतील त्याप्रमाणे वेगवेगळे अन्वस्त मिळतात. या अन्वस्तावरून काही गणित कृत्ये करून आयनाचे द्रव्यमान काढता येते.

या उपकरणाचा उपयोग करून टॉमसन यांनी निऑन या वायुरूप मूलद्रव्यात २० आणि २२ एकके आणवीय द्रव्यमान असणारे निऑनाचे दोन समस्थानिक (अणुक्रमांक तोच पण अणुभार भिन्न असलेले त्याच मूलद्रव्याचे प्रकार) आहेत, हा महत्त्वाचा शोध लावला. या उपकरणात एकच e/M असलेले; परंतु वेगवेगळे वेग असणारे धन आयन अन्वस्तावर विभागले गेल्यामुळे छायाचित्रण पट्टिकेवर मिळणारा ठसा बराच अस्पष्ट होतो व म्हणून उपकरणाची संवेदनशीलता (कमीत कमी द्रव्यमान मोजण्याची क्षमता) कमी होते. या उपकरणाची विभेदनतक्षमता (दोन भिन्न आयनांतील भेद दाखविण्याची क्षमता) व संवेदनशीलता वाढविण्याकरिता दोन परिणामांचा विचार करावा लागतो :

(१) वेग केंद्रीकरण,

(२) दिक् केंद्रीकरण. उद्‌मापासून मिळणाऱ्या धन आयनांचे वेग भिन्नभिन्न असतात. निरनिराळ्या वेगांचे पण त्याच e/M गुणोत्तराचे धन आयन एकाच ठिकाणी केंद्रित करणे हे वेग केंद्रीकरण योजनेचे उद्दिष्ट असते. वायू विसर्जन पध्दतीने मिळणाऱ्या धन किरणांत वेगभिन्नता जास्त असते, तर तप्त तंतूंपासून किंवा इतर आधुनिक धन आयन उद्‌गम योजनेतून मिळणाऱ्या धन आयनांमध्ये तिचे प्रमाण खूप कमी असते.

धन आयन उद्‌गमापासून धन आयन शलाका मिळविण्याकरिता लांब छिद्रमार्ग असलेल्या ऋणाग्राचा उपयोग करतात (उदा., आ.२ पहा). त्यामुळे धन आयनांचे आसन्न (बहुश:)समांतरण झाले, तरी मिळणाऱ्या शलाकेला थोडा कोनीय विस्तार राहतोच. आयनांमधील विद्युत् भारामुळे त्यांमध्ये परस्परांचे प्रतिसारण होऊन अथवा आयन व निर्भार वायुकण यांच्यातील परस्पर आघातामुळे प्रकीर्णन (विखुरणे) होऊन शलाका जशी प्रगत होते तसा तिचा कोनीय विस्तार वाढण्याचीच शक्यता असते. या परिणामांचा निरास करून आयनांच्या मार्गांचे केंद्रीकरण करण्याकरिता दिक् केंद्रीकरण योजना आवश्यक ठरते.

दिक् केंद्रीकरण व वेग केंद्रीकरण योजना वापरल्यामुळे उपकरणाची विभेदनक्षमता आणि संवेदनशीलता या दोहोंमध्ये खूप मोठ्या प्रमाणात वाढ करता येते. या योजनांकरिता वापरलेल्या रीतीनुसार द्रव्यमान वर्णपटलेखकांचे अनेक प्रकार व्यवहारात उपलब्ध आहेत. एफ. डब्ल्यू. ॲस्टन, ए. डेम्पस्टर, के. टी. बेनब्रिज, जे. मटौख, डब्ल्यू. ब्लिकने, ए. ओ. नीयर यांचे द्रव्यमान वर्णपटलेखक वा वर्णपटमापक हे त्यांतील काही महत्वाचे प्रकार होत.

आ.२. अस्टन द्रव्यमान वर्पणटलेखक :( १) धन आयन उद्गगम; ( २) बारीक व अरुंद फटी; ( ४),( ५) विद्युत् क्षेत्र निर्माण करणाऱ्यापट्ट्या; ( ६)क्षेत्र; ( ७) छायाचित्रण पट्टिका.

ॲस्टन द्रव्यमान वर्णपटलेखक

या उपकरणात टॉमसन यांच्या उपकरणाप्रमाणे विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्रे एकाच ठिकाणी न लावता अगोदर विद्युत् क्षेत्र व नंतर योग्य ठिकाणी चुंबकीय क्षेत्र वापरल्यामुळे भिन्न वेगाचे पण एकच वस्तुमान असलेले कण एका रेषेवर केंद्रित होतात. याचा अर्थ या उपकरणात वेग केंद्रीकरण योजनेचाच फक्त उपयोग केला आहे. या उपकरणाचा आराखडा आ. २ मध्ये दाखविला आहे. (१) या वायू विसर्जन भागात निर्माण झालेली धन आयन शलाका (२) आणि(३) या बारीक व अरुंद फटींच्या द्वारे मर्यादित केल्यामुळे तिचे आसन्नपणे समांतर होते. (४) व (५) या विद्युत् क्षेत्र निर्माण करणाऱ्या पट्ट्यांमधून ती शलाका सव्य रीतीने (घड्याळातील काट्यांच्या हालचालीच्या दिशेने) वळते व (६) ह्या ठिकाणी असलेल्या चुंबकीय क्षेत्रातून ती अपसव्य रीतीने वळविली जाऊन तिच्यातील वेगवेगळ्या वेगाने जाणारे कण आपापल्या द्रव्यमानाप्रमाणे निरनिराळ्या ठिकाणी (७) येथे असलेल्या छायाचित्रण पट्टिकेवर केंद्रित होतात. या रीतीने ची निरनिराळी मूल्ये असणाऱ्या कणांचा छायाचित्रण पट्टिकेवर समांतर रेषा असलेला द्रव्यमान वर्णपट मिळतो.

ॲस्टन यांनी अशा उपकरणाने ५० च्या वर हलक्या मूलद्रव्यांच्या समस्थानिकांची तपासणी केली. छायाचित्रण पट्टिकेवर उमटलेल्या रेषांच्या काळेपणाच्या छटेवरून समस्थानिकांचे सापेक्ष प्रमाण ठरविण्याचे एक क्लिष्ट तंत्रही त्यांनी बसविले होते. या उपकरणाची विभेदनक्षमता अंदाजे ६०० होती म्हणजे या उपकरणाद्वारे ६०० व ६०१ द्रव्यमानाच्या कणांचे विलगीकरण होऊ शकत होते.

डेम्पस्टर द्रव्यमान वर्णपटमापक :ॲस्टन यांच्यानंतर निराळ्या धर्तीचा द्रव्यमान वर्णपटमापक डेम्पस्टर या शास्त्रज्ञांनी तयार केला; त्याची रचना आ. ३ मध्ये दाखविली आहे.

आ.३. डेम्पस्टर द्रव्यमान वर्णपटमापक : ( १) आयन उद्गगम, ( २) आयनांना प्रवेगित करणारा विद्युत् दाब ( ),( ३) फट-आयन बाहेर पडणारा अगदी चिंचोळा मार्ग,( ४) चुंबकीय क्षेत्र लावलेले अर्धवर्तुळ-आयन विश्लेषणाचा विभाग, ( ५) अर्धवर्तुळाकृती भिन्नभिन्न आयन मार्ग, ( ६) फट-५ मधील मार्ग एकत्रित होऊन पुढे जाऊ देणारा चिंचोळा मार्ग, ( ७) विद्युत् अभिज्ञातक.

आयनीकरण भागात

(१) लवणाचा लेप दिलेल्या तारेस तापविल्याने किंवा इलेक्ट्रॉनांच्या भडिमाराने कमी ऊर्जेचे धन आयन निर्माण करतात आणि ते विद्युत् क्षेत्रामुळे (२) प्रवेगित होतात. (३) या फटीव्दारे आयन शलाका चुंबकीय क्षेत्रात (४) जातात. तेथे त्यांच्या वर चुंबकीय क्षेत्राचा परिणाम होऊन आयन निरनिराळे अर्धवतुळाकार मार्गामधून पुढे जाऊन (७) या विद्युत् अभिज्ञातकावर पडतात. e विद्युत् भार असलेला आयन v ह्या विद्युत् दाबाने प्रवेगित केला असल्यामुळे आयनीकरण विभागात असलेल्या ऊर्जेपेक्षा त्याला पुष्कळ पटींनी जास्त ऊर्जा मिळते. त्यामुळे सर्व आयनांची ऊर्जा एकच असून तिचे मूल्य e·V = 1/2 Mv² या समीकरणाने मिळते, असे मानता येते. येथे M व v हे अनुक्रमे त्या आयनाचे द्रव्यमान व प्रवेगानंतर मिळालेला वेग आहे. (४) मध्ये असलेल्या चुंबकीय क्षेत्राची तीव्रता B असल्यास प्रत्येक आयनावर evB एवढी विचालक प्रेरणा मार्गाच्या लंबदिशेने लागू होते व त्यामुळे त्यांचे वर्तुळाकार कक्षेत विचलन होते. समतोलावस्थेत अपमध्य प्रेरणा व ही विचालक प्रेरणा समान असतात, म्हणून evB = Mv²/r हे समीकरण मिळते. r ही वर्तुळाकार कक्षेची त्रिज्या आहे. वरील समीकरणातूनचा v चा निरास केल्यास r = (2MV/eB²)^1/2 हे समीकरण मिळते. यावरून या द्रव्यमान वर्णपटमापकात आयनमार्गाच्या r त्रिज्या ह्या गुणोत्तराच्या प्रमाणात असतात. गुणोत्तर असलेले आयन १८०^° कोनातून विचलित होऊन त्रिज्या असलेल्या वर्तुळाकार मार्गाने (६) या फटीतून जाऊन (७) या अभिज्ञातक विभागात जातात. तेथे विद्युत् मापकाने त्यांच्यामुळे उत्पन्न होणारा विद्युत् प्रवाह मोजला जातो. V व B बदलल्यास M/e निरनिराळे असलेले आयन एकामागून एक येऊन त्यांच्या विद्युत् प्रवाहांची नोंद होते. हीच द्रव्यमानांची वर्गवारी असते. द्रव्यमान संवेदनशीलता (२) या विभागातून येणाऱ्या आयनांच्या समान ऊर्जा असण्यावर अवलंबून असते. या मापकाचे प्रमुख वैशिष्ट्य हे आहे की, एका बिंदूपासून निघालेल्या धन आयनांचे चुंबकीय क्षेत्र वापरुन १८०^° मधून विचलन केले, तर ते परत एकाच बिंदूवर आसन्नपणे केंद्रीभूत होतात. या क्रियेस दिक् केंद्रीकरण म्हणतात. डेम्पस्टर यांच्या मूळ योजनेची विभेदनक्षमता ७,००० या मूल्याची होती.

बेनब्रिज–जॉर्डन द्रव्यमान वर्णपटलेखक

(आ. ४). के. टी. बेनब्रिज व ई. बी. जॉर्डन यांनी तयार केलेल्या द्रव्यमान वर्णपटलेखकात आयनीकरण विभागातून बाहेर पडलेल्या आयनांना त्यांच्या गती दिशेस लंब व परस्परांस काटकोनात असलेल्या विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्रांतून जावे लागते.

ही योजना वेग विवेचक म्हणून कार्य करून एकविघ (एकसारख्या) वेगाच्या धन आयन शलाका निर्माण करते. या क्रियेद्वारे परिणामी आयनांचे वेग केंद्रीकरण होते, असे समजता येईल.

विद्युत् क्षेत्रातून बाहेर पडल्यानंतर शलाकेला (डेम्पस्टर उपकरणातल्याप्रमाणे) चुंबकीय क्षेत्रातून जावे लागून तिचे १८०^° कोनातून विचलन होते. हे विचलन होत असताना भिन्नभिन्न द्रव्यमानांचे आयन निरनिराळ्या वर्तुळ कक्षांतून जाऊन छायाचित्रण पट्टिकेवर निरनिराळ्या ठिकाणी नोंदले जातात. अशा रीतीने शलाकेचे दिक् केंद्रीकरणसुध्दा केले जाते. वर्तुळाची त्रिज्या आयन द्रव्यमानास सम प्रमाणात असते व त्यामुळे द्रव्यमान वर्ण पटावरील (म्हणजे छायाचित्रण पट्टिकेवरील) नोंदणीचे मापन रैखिक प्रमाणात होते, याची विभेदनक्षमता साधारण पणे १०,००० एवढी असते.

आ. ४. बेनब्रिज-जॉर्डन द्रव्यमान वर्णपटलेखक :(१) आयन शलाका, (२) विद्युत् क्षेत्र, (३)चुंबकीय क्षेत्र, (४) छायाचित्रण पट्टिका.

मटौख–हरत्सोग द्विकेंद्रीकरण द्रव्यमान वर्णपटलेखक

१९४० सालापर्यंत निरनिराळ्या संशोधकांनी साधारणपणे वरील प्रकारच्या साधनांत अनेक सुधारणा करून सर्व अकिरणोत्सर्गी (भेदक कण वा किरण बाहेर न टाकणाऱ्या) मूलद्रव्यांत असलेल्या समस्थानिकांचा शोध घेतला आणि त्यांची संख्या व त्यांच्या विपुलतेचे प्रमाण मोजण्याचे तंत्र विकसित केले. १९४० मध्ये नीयर यांनी फक्त समलंबाकार चुंबकीय विश्लेषक (६०^°कोनाचा) वापरुन एक नव्या घर्तीचा द्रव्यमान वर्णपटमापक तयार केला व त्याच्या संवेदनशीलता व विभेदनक्षमता वाढवून द्रव्यमान मोजण्याच्या तंत्रातही सुधारणा केली.

नंतर ९०^° कोनातून विचलन करणारा चुंबकीय विश्लेषक वापरण्यात आला.तसेच अरीय (त्रिज्येच्या दिशेने) विद्युत् क्षेत्र देणाऱ्या चापाकृती पट्टिका वापरण्यास सुरुवात झाली. यापुढील सुधारणेत विद्युत् क्षेत्र व चुंबकीय क्षेत्र भिन्न ठिकाणी वापरुन द्विकेंद्रीकरण उपकरणे तयार करण्यात आली. जे. मटौख व आर्. एफ्. हरत्सोग यांनी तयार केलेल्या अशा एका उपकरणाचा आराखडा आ. ५ मध्ये दाखविला आहे.

अलीकडील प्रगती : द्रव्यमान वर्णपटलेखकाची विभेदनक्षमता व संवेदनशीलता वाढविण्याकरिता धन आयनांवर दिक् केंद्रीकरण व वेग केंद्रीकरण या दोन्ही क्रिया केल्या जातात, याचा उल्लेख मागे आला आहे. या दिक् केंद्रीकरण क्रियेचे सैध्दांतिक विवेचन करण्याकरिता एका बिंदू उगमापासून (एका कोनीय विस्तारात) निघणारे धन आयन या क्षेत्रात विचलित झाल्यावर ते परत एकाच बिंदूवर केंद्रीत होतात असे मानले जाते, हा निष्कर्ष फक्त अंदाजी स्वरूपाचा आहे.

जास्त अचूक गणितीय विश्लेषण केल्यानंतर असे आढळून येते की, केंद्रस्थानी येणाऱ्या धन आयन शलाकेचे विपधन होऊन, तिच्या दिक् केंद्रीकरणात दोष राहतात. यांना द्वितीय कोटीचे परिणाम असे म्हणतात. या परिणामांचा निरास करण्याकरिता विशिष्ट प्रकारची विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्रे दोन टप्प्यांनी (दोन निरनिराळ्या स्थानी) वापरुन त्या योगे दिक् द्विकेंद्रीकरण केले जाते. अशा प्रकारचा पहिला द्रव्यमान वर्णपटलेखक नीयर यांनी प्रथम १९५१ साली तयार केला. यामध्ये दिक् केंद्रीकरण दोन टप्प्यांत केले होते व याशिवाय वेग केंद्रीकरणची व्यवस्था होतीच.

याची विभेदनक्षमता १०,००० ते १४,००० इतकी उच्च प्रतीची होती. याच प्रकारच्या योजना वापरुन मटौख इ. शास्त्रज्ञांनी यासारखे पण जास्त विभेदनक्षमता असणाऱ्या द्रव्यमान वर्णपटलेखकांचे (वा वर्णपटमापकांचे) अभिकल्पन केले. नीयर यांच्या उपकरणाची योजना आ. ६ मध्ये दाखविली आहे.

आ. ५. मटौख-हरत्सोग व्दिकेंद्रीकरण द्रव्यमान वर्णपटलेखक : ( १) आयन उद्गगम, ( २) अरीय विद्युत् क्षेत्र निर्माण करणाऱ्या चापाकृती पट्टिका, ( ३)फट, ( ४) ९०० कोनातून विचलन करणारे चुंबकीय क्षेत्र, ( ५) छायाचित्रण पट्टिका.

या उपकरणातील एक महत्त्वाची सुधारणा म्हणजे अभिज्ञातक म्हणून इलेक्ट्रॉन गुणक नलिका व विवर्धक यांचा उपयोग होय. यामुळे उपकरणाची संवेदनशीलता खूपच वाढली. या उपकरणात एका वेळी एक विशिष्ट द्रव्यमानाच्याच आयनांची नोंद होते. अरीय विद्युत् क्षेत्राची तीव्रता सुयोग्यपणे बदलून दुसऱ्या द्रव्यमानांच्या आयनांची नोंद मिळविता येते. या उपकरणाची विभेदनक्षमता ७५,००० पर्यंत आली. पी. स्टीव्हन्स व त्यांच्या सहकाऱ्यांनी यात काही सुधारणा करून बनविलेल्या द्रव्यमान वर्णपटमापकाची विभेदनक्षमता १,००,००० झाली. यापेक्षा जास्त विभेदनक्षमता अद्याप साध्य झालेली नाही.

चुंबकीय विचलनाची ज्यामध्ये आवश्यकता लागत नाही, अशा पुढे नमूद केलेल्या दोन प्रकारच्या द्रव्यमान वर्णपटलेखकांसंबंधी संशोधन चालू आहे. या प्रकारांस

(१) रेडिओ कंप्रता द्रव्यमान वर्णपटलेखक व

(२) आक्रमण काल द्रव्यमान वर्णपटलेखक असे म्हणतात.

पहिल्या प्रकारात प्रथमतः एकच ऊर्जा असलेल्या पण भिन्न द्रव्यमानाच्या धन आयनांचे रेडिओ कंप्रता (ज्याची कंप्रता १० किलोहर्टझ किंवा त्यापेक्षा अधिक आहे अशा) विद्युत् क्षेत्राव्दारा वेग विरूपण केले जाते. यामुळे त्यांच्या वेगात होणारा बदल त्यांच्या विशिष्ट द्रव्यमानावर अवलंबून राहील हे उघड आहे.

प्रणालीमध्ये अशी योजना केलेली असते की, एक ठराविकच वेग असलेले धन आयन निवडले जाऊन त्याना परत एकदिश विद्युत् वर्चस् लावून ते प्रवेगित केले जातात.

यामुळे हेच आयन अमिज्ञातकाच्या अलीकडे ठेवलेले स्थैतिक प्रतिप्रवेगी विद्युत् क्षेत्र उल्लंघून जाऊ शकतात. या प्रतिप्रवेगी क्षेत्रामुळे इतर सर्व वेगाचे (अथवा द्रव्यमानाचे) आयन मागे परतविले जातात व ते अमिज्ञातकापर्यत पोहोचू शकत नाहीत. जर प्रवेगी प्रेरणा एकच असेल, तर भिन्न द्रव्यमानाच्याल आयनांना मिळालेला वेग त्यांच्या द्रव्यमानावर अवलंबून राहील, ही या प्रणालीमधील मूलभूत कल्पना आहे. वेग विभेदी योजना वापरून त्यांचे द्रव्यमानानुसार विलगीकरण व अमिज्ञान करता येते.

आ.६.नीयर द्विकेंद्रीकरण द्रव्यमान वर्णपटमापक ( द्वितीय कोटी दिक् केंद्रीकरणयुक्त): ( १),( २)परिवर्तनीय स्थिर मूल्यी उच्च विद्युत् वर्चस् उद्गम; ( ३) आयन उद्गम; ( ४),( ५),( ६),( ७) समांतरणकारक फटी; ( ८),( ९) वेग विवेचक, अरीय विद्युत् क्षेत्र लावण्यासाठी चापाकार धातूच्या पट्टिका; ( १०) धन आयन शलाका; ( ११) या भागात आकृतीच्या लंबदिशेने चुंबकीय क्षेत्र लावले जाते; ( १२) इलेक्ट्रॉन गुणक; ( १३) विवर्धक; ( १४) अभिलेखक.

आक्रमण काल द्रव्यमान वर्णपटलेखकामध्ये सुध्दा वरील मूलभूत कल्पनेचा पण थोड्या निराळ्या तऱ्हेने उपयोग केला आहे. भिन्न द्रव्यमान असलेल्या धन आयनांचा समूह जर एकाच वेळी प्रवेगित केला, तर त्यांना मिळणारा वेग त्यांच्या विशिष्ट द्रव्यमानावर अवलंबून राहत असल्यामुळे निरनिराळा राहील आणि त्यामुळे त्यांना एक ठराविक लांबीचा मार्ग आक्रमण करून जाण्यास निरनिराळा वेळ लागेल. महत्तम द्रव्यमानाचा आयन अभिज्ञातकापाशी येण्यास सर्वात जास्त वेळ लागेल, तर लघुतम द्रव्यमानाच्या आयनास सर्वांत कमी वेळ लागेल. मग अभिज्ञातकाला मिळणाऱ्या आयन विद्युत् भाराचा कालानुसार आलेख म्हणजेच द्रव्यमान वर्णपट होईल.

आयनीकरणाच्या पध्दती

आयन मिळवण्यासाठी द्रव्यमान वर्णपटमापकात वेगवेगळ्या पद्धती वापरता येतात. काही प्रमुख पद्धतींची वैशिष्ट्ये पृष्ट क्र. ९९२ वरील कोष्टकात दिली आहेत.

आयन अभिज्ञातकांचे प्रकार : छायाचित्रण व विद्धुत् पध्दतींनी द्रव्यमानांच्या वर्गवारीचे अभिलेखन करण्यात येते हे मागे सांगितले आहेच. यांपैकी छायाचित्रण पट्टिकेचा उपयोग अगदी सुरुवातीपासून टॉमसन आणि अ‍ॅस्टन यांनीही केला होता. अ‍ॅस्टन यांनी पट्टिकेची संवेदनशीलता, एकविधता व तीवरील प्रक्रिया सोप्या रीतीने करता येतील या दृष्टीने सुधारणा केल्या आणि अद्यापही इलफर्ड Q_२ सुधारित पट्टिका वापरात आहेत.

अभिलेखन विभागात या पट्टिका निर्वात स्थितीत ठेवल्या जातात. द्रव्यमान वर्णपटलेखकात सर्वसाधारणपणे वापरल्या जाणाऱ्या आयनांची ऊर्जा बरीच कमी असते; त्यामुळे पट्टिकेत जिलेटिनाचे प्रमाण कमी ठेवतात व सिल्व्हर हॅलाइड पायस पृष्टभागाच्या (आयनांना संवेदनशील असणाऱ्या द्रव्याच्या पृष्टभागाच्या) अगदी जवळ पसरलेले असते. यामुळे पट्टिका यांत्रिकरीत्या होणाऱ्या बिघाडाला फार संवेदनशील असतात. मात्र संवेदनशीलता पट्टिकेच्या सर्व भागावर सारखी नसते. पट्टिकेच्या प्रती एक चौ. मिमी. भागावर कमीत कमी ६०,००० धन आयन आगत झाल्याशिवाय त्यावर दृश्य परिणाम होत नाही. तथापि पट्टिकेचे काही फायदेही आहेत.

ते म्हणजे एक तर अनेक निरनिराळ्या आयन शलाकांचे अभिलेखन सोप्या रीतीने व बऱ्याच संवेदशीलतेने होते. आयन शलाका पट्टिकेवर ३० मिनिटांपर्यंत टाकली जात असताना ती १०^–८ अँपि. इतका विद्युत् प्रवाह देऊ शकते. यामुळे पट्टिकेवर होणारा परिणाम या कालावधीत पडणाऱ्या सर्व धन आयनांमुळे होणाऱ्या एकत्रित स्वरूपाचा असतो, हे उघ़ड आहे. पट्टिकेचा मोठा दोष म्हणजे तिच्या काही एका क्षेत्रफळावर पडलेला एकूण आयनांचा विद्युत् भार आणि प्रकाशीय घनता यांचा परस्परांशी असलेला संबंध रैखिक (सरळ रेषेच्या आलेखाच्या स्वरूपाचा) नसतो हा होय.

विद्युत् अभिज्ञातकात (आ. ७) ज्या फटीतून आयन शलाका अभिलेखन भागात येते, ती फट भूसंपर्कित केलेली असते. शलाका पुढे फॅराडे (मायकेल फॅराडे यांच्या नावाने ओळखण्यात येणाऱ्या) संग्राहकावर किंवा एका संग्राहक पट्टीवर येऊन आदळते.त्यामुळे ह्या पट्टीच्या पृष्ठभागातून दुय्यम इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होतात. पट्टीतील इलेक्ट्रॉनांच्या तुटीमुळे शलाकेतील आयनांच्या बदलणाऱ्या विद्युत् प्रवाहात सकृतदर्शनी वाढ झालेली दिसते.

दुसरी एक फट असलेली पट्टी आयन आत घेणाऱ्या पट्टीच्या व संग्राहक पट्टीच्या दरम्यान बसवलेली असते व तिला–७० व्होल्ट इतका विद्युत् दाब दिलेला असतो; त्यामुळे उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन परत संग्राहक पट्टीकडे प्रतिसारित होतात. सुरुवातीला आयन विद्युत् प्रवाह विद्युत् मापकाने मोजला जाई; पण १९३० सालानंतर इलेक्ट्रॉनीय मंडले या कामाकरिता वापरण्यात येऊ लागली. आयन विद्युत् प्रवाह सु.१०^१० ते १०^१२ ओहम इतक्या रोधातून जमिनीस जोडला जातो आणि रोधात निर्माण झालेल्या विद्युत् दाबाचे विद्युत् दाब विवर्धकाने अभिज्ञान केले जाते व तो मोजला जातो. हे कार्य करण्याकरिता खाली नमूद केलेल्या जंबुपार फोटॉन म्हणजे वर्णपटातील जांभळ्या रंगाच्या पलीकडील अदृश्य प्रारणातील प्रकाशपुंज (क्वाँटम) प्रणालींचा उपयोग केला जातो.

(१) एकदिश विवर्धक : याकरिता एक विशिष्ट रचनेची सूक्ष्मविद्युत् भारमापक निर्वात नलिका वापरतात. हिचा आदान संरोध (सर्व प्रकारचा एकूण विद्युत् रोध) खूपच उच्च प्रतीचा (कित्येक कोटी ओहम) असतो. यामुळे सूक्ष्मविद्युत् प्रवाहाचे (१०^१० अँपि.) अचूक मापन हिच्या साहाय्याने करता येते. या विवर्धकामधील प्रमुख दोष हा की, याचे शून्य वाचन स्थिर नसते.

(२) कंपित कंपनक सूक्ष्मविद्युत् भारमापक: यामध्ये मोजावयाच्या एकदिश संकेत प्रतलीय धारित्राच्या (विद्युत् भार साठवून ठेवणाऱ्या साधनाच्या) एका पट्टीला दिला जातो. त्याची दुसरी पट्टी एका ठराविक कंप्रतेने कंपित केली जाते. यामुळे इष्ट एकदिश विद्युत् दाब संकेतास अनुरूप असा काल परिवर्ती (काळानुसार बदलणारा) संकेत मिळतो. या संकेताचे विवर्धन करणे सोपे असते. याकरिता अरुंद पट्टा प्रत्यावर्ती विवर्धक [→इलेक्ट्रॉनीय विवर्धक] वापरतात. यामध्ये शून्य वाचनाचे चलन नगण्य असते. कंपनपट्टी विद्युत् मापक, इलेक्ट्रॉन गुणक आणि आयन शलाका अभिकज्ञातक यांचा विद्युत् प्रवाहमापनासाठी उपयोग करण्यात येत आहे.

द्रव्यमान वर्णपटमापकात वापरण्यात येणाऱ्य़ा आयनीकरणाच्या काही पद्धती

आ. ९. रेणवीय द्रव्यमान २९ एककांच्या आसपास असणाऱ्या काही पदार्थाच्या द्रव्यमान वर्णपटाचे छायाचित्र ( उदभासन काल १७ मि. ९ से.).

द्रव्यमान वर्णपटमापकाचे (किंवा लेखकाचे) काही उपयोग

(१) अणुबाँबच्या निर्मितीस किंवा अणुविक्रियकात (अणुभट्टीत) लागणारे युरेनियम (२३५) नैसर्गिक युरेनियमापासून मिळविणे. (२) निसर्गात आढळणाऱ्या शिशामध्ये २०६ व २०७ द्रव्यमानांकांचे दोन समस्थानिक असतात; हे अणू अनुक्रमे युरेनियम (२३८) व युरेनियम (२३५) या किरणोत्सर्गी अणूंच्या रूपांतरणाने तयार होतात. खनिज शिशाचे पृथक्करण करून या दोन्ही समस्थानिकांचे प्रमाण काढून त्यावरून पृथ्वीचे वयोमान ठरविणे.

(३) जीवाश्मामध्ये (सजीवाच्या शिळारूप अवशेषामध्ये) असलेल्या ऑक्सिजनाच्या समस्थानिकांचे प्रमाण काढून त्यावरून जीवाश्म तयार झाला त्या वेळच्या परिसराचे तापमान ठरविणे. जीवविज्ञानाच्या इतिहासाच्या अध्ययनास मदत करणे.

(४) वनस्पतिविज्ञानात, तसेच वैद्यकीय शास्त्रात उच्छ्वसनावाटे बाहेर पडणाऱ्या वायूंचे विश्लेषण करणे.

(५) पाणबुडीतील हवेचे सतत पृथक्करण करणे.

(६) एखाद्या निर्वात पात्रामध्ये छिद्र असले, तर त्यातून पाझरणाऱ्या वायूचे विश्लेषण करून ते छिद्र शोधून काढणे.

(७) इलेक्ट्रॉन नलिका, गायगर गणित्र इत्यादींमध्ये भरल्या जाणाऱ्या वायूंचे सतत पृथक्करण करून त्यांतील अशुध्दी रूपातील वायू ओळखून या उपकरणांचे आयुष्य वाढविणे.

(८) संयुगाची रेणवीय संरचना (रेणूतील अणूंची मांडणी दर्शविणारे सूत्र) ठरविणे; पेट्रोल, मेण वगैरेसारख्या मोठ्या रेणुभारांच्या पदार्थाचे विश्लेषण करणे.

संदर्भ : 1. McDowell, C. A., Ed. Mass Spectrometry, New York, 1963.

2. Reed, R. I. Mass Spectrometry, London, 1965.

3. White, F. A. Mass Spectrometryin Science and Technology, New York, 1968.

दुं. गि. गलगली / व. त्रिं. चिपळोणकर

स्त्रोत - मराठी विश्वकोश