تاریخچه
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یک از تکنیکهای دستگاهی دیگر ، بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، "تامسون" برای تشریح وجود نئون-22 در نمونه‌ای از نئون-20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت کرد که عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند. تا جایی که می‌دانیم، قدیمیترین طیف سنج جرمی در سال 1918 ساخته شد.

اما روش طیف سنجی جرمی تا همین اواخر که دستگاههای دقیق ارزانی در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تکنیک با پیدایش دستگاههای تجاری که بسادگی تعمیر و نگهداری می‌شوند و با توجه به مناسب بودن قیمت آنها برای بیشتر آزمایشگاههای صنعتی و آموزشی و نیز بالا بودن قدرت تجزیه و تفکیک ، در مطالعه تعیین ساختمان ترکیبات از اهمیت بسیاری برخوردار گشته است.
اصول طیف سنجی جرمی

به بیان ساده ، طیف سنج جرمی سه عمل اساسی را انجام می‌دهد:

مولکولها توسط جرایاناتی از الکترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند.

یونهای شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی جدا می‌گردند.

یونهای دارای نسبت بار/جرم مشخص و معین توسط بخشی از دستگاه که در اثر برخورد یونها به آن ، قادر به شمارش آنها است، آشکار می‌گردند. نتایج داده شده خروجی توسط آشکار کننده بزرگ شده و به ثبات داده می‌شوند. علامت یا نقشی که از ثبات حاصل می‌گردد یک طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشکار شده بر حسب تابعی از نسبت بار/جرم.

دستگاه طیف سنج جرمی

هنگامی که هر یک از عملیات را بدقت مورد بررسی قرار دهیم، خواهیم دید که طیف سنج جرمی واقعا پیچیده‌تر از آن چیزی است که در بالا شرح داده شد.

سیستم ورودی نمونه

قبل از تشکیل یونها باید راهی پیدا کرد تا بتوان جریانی از مولکولها را به محفظه یونیزاسیون که عمل یونیزه شدن در آن انجام می‌گیرد، روانه ساخت. یک سیستم ورودی نمونه برای ایجاد چنین جریانی از مولکولها بکار برده می‌شود. نمونه‌هایی که با طیف سنجی جرمی مورد مطالعه قرار می‌گیرند، می‌توانند به حالت گاز ، مایع یا جامد باشند. در این روش باید از وسایلی استفاده کرد تا مقدار کافی از نمونه را به حالت بخار در آورده ، سپس جریانی از مولکولها روانه محفظه یونیزاسیون شوند.

در مورد گازها ، ماده ، خود به حالت بخار وجود دارد. پس ، از سیستم ورودی ساده‌ای می‌توان استفاده کرد. این سیستم تحت خلاء بوده، بطوری که محفظه یونیزاسیون در فشاری پایینتر از سیستم ورودی نمونه قرار دارد.

روزنه مولکولی
نمونه به انبار بزرگتری رفته که از آن ، مولکولهای بخار به محفظه یونیزاسیون می‌روند. برای اطمینان از اینکه جریان یکنواختی از مولکولها به محفظه یونیزاسیون وارد می‌شود، قبل از ورود ، بخار از میان سوراخ کوچکی که "روزنه مولکولی" خوانده می‌شود، عبور می‌کند. همین سیستم برای مایعات و جامدات فرار نیز بکار برده می‌شود. برای مواد با فراریت کم ، می‌توان سیستم را به گونه‌ای طراحی کرد که در یک اجاق یا تنور قرار گیرد تا در اثر گرم کردن نمونه ، فشار بخار بیشتری حاصل گردد. باید مراقب بود که حرارت زیاد باعث تخریب ماده نگردد.

در مورد مواد جامد نسبتا غیر فرار ، روش مستقیمی را می‌توان بکار برد. نمونه در نوک میله‌ای قرار داده می‌شود و سپس از یک شیر خلاء ، وارد محفظه یونیزاسیون می‌گردد. نمونه در فاصله بسیار نزدیکی از پرتو یونیزه کننده الکترونها قرار می‌گیرد. سپس آن میله ، گرم شده و تولید بخاری از نمونه را کرده تا در مجاورت پرتو الکترونها بیرون رانده شوند. چنین سیستمی را می‌توان برای مطالعه نمونه‌ای از مولکولهایی که فشار بخار آنها در درجه حرارت اتاق کمتر از 9 - 10 میلیمتر جیوه است، بکار برد.

محفظه یونیزاسیون
هنگامی که جریان مولکولهای نمونه وارد محفظه یونیزاسیون گشت ، توسط پرتوی از الکترونهای پرانرژی بمباران می‌شود. در این فرآیند ، مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل گشته و سپس در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند. در محفظه یونیزاسیون پرتو الکترونهای پرانرژی از یک "سیم باریک" گرم شده ساطع می‌شوند. این سیم باریک تا چند هزار درجه سلسیوس گرم می‌شود. به هنگام کار در شرایطی معمولی ، الکترونها دارای انرژی معادل 70 میکرون - ولت هستند.

این الکترونهای پرانرژی با مولکولهایی که از سیستم نمونه وارد شده‌اند، برخورد کرده و با برداشتن الکترون از آن مولکولها ، آنها را یونیزه کرده و به یونهای مثبت تبدیل می‌کنند. یک "صفحه دافع" که پتانسیل الکتریکی مثبتی دارد، یونهای جدید را به طرف دسته‌ای از "صفحات شتاب دهنده" هدایت می‌کند. اختلاف پتانسیل زیادی (حدود 1 تا 10 کیلو ولت) از این صفحات شتاب دهنده عبور داده می‌شود که این عمل ، پرتوی از یونهای مثبت سریع را تولید می‌کند. این یونها توسط یک یا چند "شکاف متمرکز کننده" به طرف یک پرتو یکنواخت هدایت می‌شوند.

بسیاری از مولکولهای نمونه به هیچ وجه یونیزه نمی‌شوند. این مولکولها بطور مداوم توسط مکنده‌ها یا پمپهای خلا که به محفظه یونیزاسیون متصل نیستند، خارج می‌گردند. بعضی از این مولکولها از طریق جذب الکترون به یونهای منفی تبدیل می‌شوند. این یونهای منفی توسط صفحه دافع جذب می‌گردند. ممکن است که بخش کوچکی از یونهای تشکیل شده بیش از یک بار داشته باشند، (از دست دادن بیش از یک الکترون) اینها مانند یونهای مثبت تک ظرفیتی ، شتاب داده می‌شوند.

پتانسیل یونیزاسیون
انرژی لازم برای برداشتن یک الکترون از یک اتم یا مولکول ، پتانسیل یونیزاسیون آن است. بسیاری از ترکیبات آلی دارای پتانسیل یونیزاسیونی بین 8 تا 15 الکترون ولت هستند. اما اگر پرتو الکترونهایی که به مولکولها برخورد می‌کند، پتانسیلی معادل 50 تا 70 الکترون ولت نداشته باشد، قادر به ایجاد یونهای زیادی نخواهد بود. برای ایجاد یک طیف جرمی ، الکترونهایی با این میزان انرژی برای یونیزه کردن نمونه بکار برده می‌شوند.

تجزیه گر جرمی
پس از گذر کردن از محفظه یونیزاسیون ، پرتو یونها از درون یک ناحیه کوتاه فاقد میدان عبور می‌کند. سپس آن پرتو ، وارد "تجزیه گر جرمی" شده که در آنجا ، یونها بر حسب نسبت بار/جرم آنها جدا می‌شوند. انرژی جنبشی یک یون شتاب داده شده برابر است با:

12mv²=ev

که m جرم یون ، v سرعت یون ، e بار یون و V اختلاف پتانسیل صفحات شتاب دهنده یون است.

در حضور یک میدان مغناطیسی ، یک ذره باردار مسیر منحنی شکلی را خواهد داشت. معادله‌ای که شعاع این مسیر منحنی شکل را نشان می‌دهد به صورت زیر است:

^{(r =MV)}/_eH

که r شعاع انحنای مسیر و H قدرت میدان مغناطیسی است.

اگر این دو معادله را برای حذف عبارت سرعت ترکیب کنیم، خواهیم داشت:

این معادله مهمی است که رفتار و عمل یک یون را در بخش تجزیه‌گر جرمی یک طیف سنج جرمی توجیه می‌کند.

طیف سنج جرمی

تجزیه گر جرمی و قدرت تفکیک
از معادله فوق چنین بر می‌آید که هر قدر ، مقدار m/e بزرگتر باشد، شعاع انحنای مسیر نیز بزرگتر خواهد بود. لوله تجزیه‌گر دستگاه طوری ساخته شده است که دارای شعاع انحنای ثابتی است. ذره‌ای که نسبت m/e صحیحی داشته باشد، قادر خواهد بود تا طول لوله تجزیه‌گر منحنی شکل را طی کرده ، به آشکار کننده نمی‌رسند. مسلما اگر دستگاه ، یونهایی را که جرم بخصوصی دارند، نشان دهد. این روش چندان جالب نخواهد بود.

بنابراین بطور مداوم ، ولتاژ شتاب دهنده یا قدرت میدان مغناطیسی تغییر یافته تا بتوان کلیه یونهایی که در محفظه یونیزاسیون تولید گشته‌اند را آشکار ساخت. اثری که از آشکار کننده حاصل می‌گردد، بصورت طرحی است که تعداد یونها را بر حسب مقدار m/e آنها رسم می‌کند. فاکتور مهمی که باید در یک طیف سنج جرمی در نظر گرفتن قدرت تفکیک آن است. قدرت تفکیک بر طبق رابطه زیر تعریف می‌شود:

(R=M)/M

که R قدرت تفکیک ، M جرم ذره و M∆ اختلاف جرم بین یک ذره با جرم M و ذره بعدی با جرم بیشتر است که می‌تواند توسط دستگاه تفکیک گردد. دستگاههایی که قدرت تفکیک ضعیفی دارند، مقدار R آنها حداکثر 2000 در بعضی مواقع قدرت تفکیکی به میزان پنج تا ده برابر مقدار فوق مورد نیاز است.

آشکار کننده
آشکار کننده بسیاری از دستگاهها ، شامل یک شمارشگر است که جریان تولیدی آن متناسب با تعداد یونهایی است که به آن برخورد می‌کند. با استفاده از مدارهای الکترون افزاینده می‌توان آن قدر دقیق این جریان را اندازه گرفت که جریان حاصل از برخورد فقط یک یون به آشکار کننده اندازه ‌گیری شود.

ثبات آشکار کننده
سیگنال تولید شده از آشکار کننده به یک ثبات داده می‌شود که این ثبات خود طیف جرمی را ایجاد می‌نماید. در دستگاههای جدید ، خروجی آشکار کننده از طریق یک سطح مشترک به رایانه متصل است. رایانه قادر به ذخیره اطلاعات بوده و خروجی را به هر دو صورت جدولی و گرافیکی در می‌آورد. دست آخر داده‌ها با طیفهای استاندارد ذخیره شده موجود در رایانه مقایسه می‌گردد.

در دستگاهها قدیمیتر ، جریان الکترونی حاصل از آشکار کننده به یک سری از پنج گالوانومتر با حساسیتهای متفاوت داده می‌شود. پرتو نوری که به آینه‌های متصل به گالوانومترها برخورد می‌کند و به یک صفحه حساس به نور منعکس می‌گردد. بدین طریق یک طیف جرمی با پنج نقش بطور همزمان ، هر یک با حساسیتی متفاوت ایجاد می‌گردد. در حالی که هنوز دستگاه قویترین قله‌ها را در صفحه طیف نگاه می‌دارد، با استفاده از این پنج نقش ثبت ضعیفترین قله‌ها نیز ممکن می‌گردد.

انسان بیش از ۱۰۰ سال است که با امواج الکترومغناطیسی آشناست و امروز از آنها به طور وسیعی در زندگی خود استفاده می‌کند و این فیزیک امواج در یک میدان مغناطیسی و یک میدان الکتریکی عمود بر هم بوجود آمده‌اند. ویژگی بارزشان که آنها را متمایز ساخته این است که برای سیر نیاز به محیط‌ هادی ندارد. و در خلا به راحتی حرکت می‌کنند. فیزیک امواج رادیویی نیز دسته‌ای از این فیزیک امواج هستند.
ماهیت فیزیک امواج رادیویی
هر اتم از الکترون و نوترون تشکیل شده است. نوترون و پروتون در مرکز قرار گرفته‌اند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند و الکترونها اطراف هسته می‌چرخند. هسته بعضی از اتم‌ها به دلیل پروتونهای آنها خنثی می‌شود. دارای حرکت وضعی هستند. یعنی به دور محور خود می‌چرخند. این نوع حرکت را حرکت اسپنی می‌گویند، که ویژگیهای طبیعی هسته‌ها است. همچنین هسته به دلیل وجود پروتون دارای بار مثبت هست و از هر ذره بارداری که حرکت داشته باشد‌، فیزیک امواج الکترومغناطیس تابش می‌شود.

بطور کلی فیزیک امواج ، از جمله فیزیک امواج الکترومغناطیسی دارای فرکانس هستند. در اینجا فرکانس به معنی تعداد نوسانهای میدان الکتریکی یا مغناطیسی در واحد زمان از هر نقطه از فضا است. اگر نیروی محرکی را با فرکانس یکسان با فرکانس طبیعی نوسانگر بکار ببریم دامنه حرکت نوسانی یعنی حداکثر فاصله‌ای تا نقطه‌ای از موج از مرکز تعادل می‌گیرد افزایش می‌یابد، که این پدیده را تشدید می‌گویند.
نحوه برخورد فیزیک امواج رادیویی با بافتها
در بیشتر اجسام مانند بافت نرم هسته‌ها دارای راستای دوقطبی تصادفی هستند‌، در نتیجه برآیند کلی موجها به دلیل اینکه همدیگر را خنثی می‌کنند صفر است. ولی اگر میدان مغناطیسی در اطراف نمونه ایجاد کنیم، بخشی از اتمهای H که انرژی کمتری دارند در راستای میدان و عده‌ای دیگر که انرژی بیشتر دارند‌، در خلاف راستای میدان قرار می‌گیرند. در اثر ایجاد این میدان H یا هر هسته فعال تشدید مغناطیسی دارای حرکت انتقالی نیز می‌شود و در راستای یک دایره با زاویه نسبت به خط عمود چرخش می‌کند. بسامد این حرکت برای اتمها متفاوت است و به نوع هسته و بزرگی میدان بستگی دارد.

هرچقدر میدان مغناطیسی قویتر باشد، بسامد چرخش انتقالی افزایش می‌یابد. بسامد چرخش هسته دارای حرکت اسپینی را حول میدان بزرگتر ، بسامد لارمور می‌گویند. با محاسبه فرکانس لارمو ، می‌توان نسبتی به نام نسبت ژیرومغناطیسی را محاسبه کرد. که آنرا با «γ» نشان می‌دهند. هر هسته دارای نسبت ژیرومغناطیسی ویژه خود است و با کمک آن می‌توان نوع هسته را تعیین کرد. این نسبت برای اتم H وقتی در میدان مغناطیسی یک تسلا قرار می‌گیرد. برابر ۴۲.۵۷ است.
امواج RF در فیزیک امواج رادیویی
با ایجاد یک میدان مغناطیسی رادیو فرکانسی (امواج RF در گستره فیزیک امواج الکترومغناطیسی است) قوی تمام هسته‌ها را در راستای آن قرار دهیم. در RF برای ایجاد تصویر مطلوب باید به گونه‌ای باشد که زاویه انحراف راستای حرکت از حالت و پایه برابر ۹۰ درجه شود. اگر فرکانس میدان با فرکانس لارمور هسته یکی باشد پدیده تشدید رخ می‌دهد. این حالت را برانگیختگی هسته می‌گویند. وقتی که میدان قطع می شود پروتونها که انرژی دریافت کرده به تراز انرژی بالاتر رفته بوده ، انرژی خود را به صورت فیزیک امواج RF و به مقدار ناچیزی هم به صورت گرما از دست می‌دهند.
آسایش فیزیک امواج RF
میزان انرژی جذب شده توسط هسته به شدت RF در مدت زمان اعمال موج RF بستگی دارد. و میزان انرژی که پروتون به اطراف می‌فرستد به هسته و ترکیبات شیمیایی مواد اطراف مربوط می‌شود. این پدیده از دست دادن انرژی و بازگشت به حالت پایه را آسایش و زمان لازم برای رسیدن به حالت پایه را زمان آسایش می‌گویند. پدیده آسایش یا از دست دادن انرژی به صورت فیزیک امواج RF به دو صورت روی می‌دهد. یا موج روی بافت اثر می‌گذارد، که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش طولی می‌گویند و با T۲ نشان می‌دهند و T۱ اسپین خود مولکول یا مولکولهای دیگر اثر می‌گذارد. که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش عرضی می‌گویند و با T۲ نشان می‌دهند. و به عبارت دیگر T۱ مدت زمانی است که طول می‌کشد تا پروتون به انرژی اولیه‌اش برسد. و T۲ مدت زمانی است که طول می کشد تا دامنه موج RF ضعیف شود و از بین برود.

برای توضیح درباره آنچه هنگام شکستن دیوار صوتی روی می دهد ، ابتدا باید به صوت به چشم موجی با سرعت انتشار محدود نگاه کرد.همه شما با اثرات ناشی از محدود و نسبتا کم بودن سرعت صوت آشنایی دارید؛ بازتاب صدا در کوه ، تاخیر زمانی در شنیدن صدای بلندگوهایی که یک چیز را پخش می کنند و شنیدن صدای رعد پس از دیدن برق . در سطح دریا و دمای ۲۲درجه ، امواج صوتی با سرعت ۳۴۵متر بر ثانیه یا ۱۲۴۰کیلومتر در ساعت منتشر می شوند. هر چه دما و فشار کاهش یابد، سرعت صوت کم می شود، به طوری که برای هواپیمایی در ارتفاع ۳۵هزار پایی - جایی که دما ۵۴- درجه است سرعت صوت به ۲۹۵متر در ثانیه یا ۱۰۶۰کیلومتر در ساعت می رسد. حالا یک منبع صوتی را تصور کنید که یک پالس در ثانیه در فضا پخش می کند. این پالسها را می توان به صورت پوسته های کروی از هوای پرفشار که با سرعت صوت بزرگ می شوند و صوت را منتشر می کنند تصور کرد (درست مانند دایره های ایجاد شده در سطح آب پس از پرتاب یک سنگ) به این کره ها جبهه های موج می گوییم . اگر چشمه ساکن باشد ، این کره ها، مانند دایره های آب هم مرکز خواهند بود ؛ اما اگر منبع شروع به حرکت کند، این کره ها را در جهت حرکتش جابه جا خواهد کرد. به طوری که فاصله کره ها از هم در یک طرف (در جهت حرکت) کمتر و در طرف مقابل بیشتر خواهد شد. (با رسم شکل این مطلب را خواهید دید). مقدار این جابه جایی بستگی به سرعت منبع نسبت به سرعت انتشار صوت دارد. هر چه سرعت منبع بیشتر باشد، به جبهه های موجی که در هر لحظه تولید می کند، نزدیکتر شده و بنابراین فاصله جبهه ها در مقابل منبع کمتر و کمتر می شود، تا این که در سرعت صوت ، منبع به موج صوتی خود می رسد و با آن حرکت می کند. به طوری که جبهه های کروی امواج تولید شده همگی مقابل منبع انباشته می شوند. (مثل حلقه های تودرتو با شعاعهای مختلف که در یک نقطه بر هم مماسند). از نظر فیزیکی جبهه های موج نشاندهنده تغییرات فشار هوا هستند و همین تغییرات فشار است که گوش ما آن را به صورت صدا می شنود.

حالا تصور کنید همه این جبهه های موج پرفشار جلوی یک هواپیما که با سرعتی در آستانه سرعت صوت حرکت می کند جمع شود. در این صورت جبهه ها همدیگر را تقویت می کنند و یک موج فشار با دامنه بسیار زیاد تشکیل می دهند. این موج ، نیروی مقاومت هوا را زیاد می کند و باعث کاهش نیروی بالابر و دشواری کنترل هواپیما می شود. وقتی سرعت هواپیما با افزایش توان از سرعت صوت پیشی می گیرد، از این سد و دیوار صوتی عبور می کند و به اصطلاح دیوار صوتی را می شکند. در این حالت موج ، دامنه تشکیل شده که به آن shock wave گفته می شود در هوا منتشر می شود و به زمین می رسد. شدت موج رسیده به زمین به ارتفاع هواپیما و اندازه آن بستگی دارد. اگر هواپیما به قدر کافی به زمین نزدیک باشد موج فشار می تواند آنقدر قوی باشد که باعث شکستن شیشه ها، تخریب ساختمان های سست و یا کاهش شنوایی افراد شود. شکستن دیوار صوتی یا گذشتن از سرعت صوت ، اولین بار در ۱۴اکتبر ۱۹۴۷ و به وسیله چاک بیگر، خلبان نیروی هوایی امریکا با هواپیمای -X۱ که به همین منظور ساخته شده بود اتفاق افتاد. امروزه بیشتر هواپیماهای جنگنده براحتی از سرعت صوت می گذرند، به طوری که سرعت بعضی مانند SR۷۱ به ۳۶۰۰کیلومتر در ساعت ۳برابر سرعت صوت می رسد. اما تصویر بالا به شما امکان می دهد که این پدیده صوتی را ببینید! این تصویر که به وسیله جان گی در جولای ۱۹۹۹ گرفته شده است ، یک فروند هواپیمای F۱۸ هورنت را در حال عبور از دیوار صوتی بر فراز اقیانوس آرام نشان می دهد. اشتباه نکنید. ابرسفید رنگ صدا نیست . در اطراف بالهای هواپیما بخصوص در شرایط پرواز صوتی ، مناطق کم فشار فراوانی ایجاد می شود. اگر هوا بخار آب زیاد داشته باشد، فشار هوای پایین ، آب موجود در هوا را متراکم می کند و باعث ایجاد ابری از بخار در اطراف آن می شود. وقتی هواپیما از دیوار صوتی عبور می کند، هوا به طور موضعی با shock wave آشفته و بخار ناپدید می شود. جان گی عکس را در لحظه ای که صدای غرش را شنید ، درست پیش از ناپدیدشدن ابر ، گرفته است.