Космическое вещество в лаборатории

До недавнего времени единственными космическими объектами, которые удавалось исследовать не дистанционно, а непосредственно в земных химических лабораториях, были метеориты. В 70-е годы на Землю были доставлены многочисленные образцы лунного грунта. Придет время, когда средствами космонавтики удастся предоставить земным химикам образцы вещества планет, их спутников, астероидов, кометных ядер, а также и многое другое, о чем сейчас, пожалуй, говорить несколько преждевременно.

В земной химической лаборатории вещество небесных тел исследуется теми же способами, что и земные вещества. Мы не будем подробно описывать современные методы количественного и качественного химического анализа - этому посвящена обширная специальная литература. Коротко расскажем лишь о двух методах, сыгравших особенно большую роль в изучении метеоритов и лунного грунта, - о масс-спектроскопии и хроматографии.

Как известно, изотопы - это атомы одного элемента, имеющие одинаковый порядковый номер в Периодической системе элементов Менделеева, но разную атомную массу (ядра изотопов состоят из одинакового числа протонов, но различного числа нейтронов). Измерение масс ядер осуществляют с помощью масс-спектрографа. Этот прибор используют также для определения химического состава смеси различных веществ. Принцип действия масс-спектрографа основан на том, что в электрических и магнитных полях движущиеся заряженные частицы в зависимости от их массы, заряда и скоростей ведут себя по-разному. В масс-спектрографе создается такая комбинация электрических и магнитных полей, что частицы с одинаковыми массами и зарядами, проходя сквозь эти поля, сходятся в одной плоскости и на фотопластинке образуется четкая черная линия. По положению этой линии можно установить, изотопами какого вещества она образована. Современные методы позволяют анализировать изотопный состав даже ничтожно малых (до 1 микрограмма) количеств вещества, что для космической химии особенно ценно.

В современных масс-спектрометрах, работающих по тому же принципу, что и масс-спектрограф, имеются электронные устройства, подсчитывающие число атомов данного сорта, так что становится возможным не только качественный, но и количественный химический анализ. Заметим, что для масс-спектрометрии исследуемое вещество обычно переводят в газообразное состояние.

Схема масс-спектрографа: 1 - разрядная трубка; 2, 3 - две щели, с помощью которых выделяется узкий пучок ионов; 4 - конденсатор, отклоняющий на различные углы ионы с разными зарядами, скоростями и массами; 5 - диафрагма со щелью для выделения узкого пучка; 6- полюсные наконечники электромагнита, отклоняющего пучок ионов; 7 - фотопластинка, на которой фокусируются ионы различных масс и зарядов. Все части прибора находятся в сосуде, в котором создано разрежение

Метод жидкостной хроматографии (или просто хроматографии) в практике химических исследований применяется давно. Он позволяет узнать состав смеси, т. е. выделить из смеси ее компоненты. Для этого разделяемую смесь в виде раствора вводят в стеклянную трубку - колонку, заполненную адсорбентом. Сверху в колонку подают растворитель или другую специально подобранную жидкость, которая вымывает вещества из колонки. Важно, что при этом компоненты смеси продвигаются по колонке с разными скоростями, зависящими от того, насколько сильно они взаимодействуют с адсорбентом. Происходит разделение. В качестве адсорбента иногда употребляется особым образом обработанная бумага. В результате разделения на бумаге появляется несколько пятен, принадлежащих разным компонентам исследуемой смеси. Это и есть хроматограмма.

В методе газовой хроматографии исследуемая смесь вводится в трубку-колонку, содержащую адсорбент, вместе с газом-носителем. Так как адсорбент по-разному удерживает различные газы, происходит их разделение, и компоненты смеси можно собирать на выходе колонки. Метод газовой хроматографии весьма чувствителен. С его помощью обнаруживают присутствие ничтожнейших количеств вещества (до 10 -22 г), что особенно ценно при исследовании метеоритов и древнейших земных пород. Хроматограмма в этом случае имеет вид диаграммы, на которой каждому газу соответствует свой пик. Сочетая газовый хроматограф с масс-спектрометром, можно проводить не только качественный, но и количественный анализ.