Das Massenspektrometer

Protokoll vom 29.11.2007
Physikprotokoll Massenspektroskop
Das Massenspektrometer
von Manuel Möhring
Inhalt (verlinkt):
1. Einsatzgebiete des Massenspektrometers
2. Aufbau des Massenspektrometers
3. Funktion des Massenspektrometers
4. Spezifische physikalische Bedingungen
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Protokoll vom 29.11.2007
1. Einsatzgebiete des
Massenspektrometers
Das Massenspektrometer dient
• zur Massenbestimmung bzw.
zur Bestimmung der relativen
Atom- oder Molekülmasse.
• zur Bestimmung des
Häufigkeitsverhältnisses von
Teilchen bei verschiedenen
Massen
Massenspektrometer am Paul Scherrer Institut, Schweiz.
Es dient insbesondere zur Analyse von Wasserproben.
Quelle: http://www.psi.ch
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2. Aufbau des Massenspektrometers
Schaubild: Aufbau eines Massenspektrometers
(1) Ionenquelle
Hier treten die Teilchen von unterschiedlicher Masse und Häufigkeit aus.
(2) Beschleunigungsphase
Die Teilchen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt.
(3) Homogenes Feld
Hier wirken die Lorentzkraft, die durch das homogene Magnetfeld entsteht,
sowie die elektrische Feldstärke.
(4) Zweites homogene magnetische Feld
Die Teilchen werden durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gebracht.
(5) Fotoplatte
Durch die eingegangene Kreisbahn werden die Teilchen auf eine Fotoplatte
geschleudert und dort sichtbar.
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3. Funktion des Massenspektrometers
Nach dem Austreten der Teilchen aus der Ionenquelle werden die Teilchen
beschleunigt. Danach treten sie in das homogene elektrische als auch
magnetische Feld ein. Beide Felder stehen senkrecht zueinander.
Durch den gezielten Einsatz von Lorentzkraft und elektrischer Feldstärke werden
alle Teilchen mit der gleichen Geschwindigkeit auf eine gerade Bahn gebracht.
Es muss gelten: Fel = FL
Dadurch werden alle Teilchen auf eine Bahn gebracht, die senkrecht zu dem
elektrischen als auch zu dem magnetischen Feld verläuft. Nun haben alle Teilchen,
egal welcher Masse und Ladung, die gleiche Geschwindigkeit und Richtung.
Es gilt: v = E/B1
Die Teilchen treten dann in ein zweites homogenes magnetisches Feld ein und
werden durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gebracht, wodurch sie dann auf
eine Fotoplatte treffen.
In Abhängigkeit zur jeweiligen Masse der Teilchen werden diese in Kreisbahnen
mit unterschiedlichen Radien abgelenkt. Da die Teilchen gleiche Geschwindigkeit
und Richtung haben, hängt die Ablenkung nur noch von der spezifischen Ladung
und Masse ab.
Es gilt: r ~ m/Q
An der Fotoplatte kann man nun anhand des Auftreffpunktes sehen, was für eine
Masse das jeweilige Teilchen hat.
Außerdem sieht man, wie oft diese Teilchen vorhanden sind, was man an der
Helligkeit (Schwärzung der Fotoplatte) erkennt.
Anmerkung : Wäre Fel ≠ FL würde die Teilchen nicht auf einer Bahn senkrecht zur
Fotoplatte in das zweite Feld eintreten. Dadurch wären proportionale Zuordnungen
nicht möglich.
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4. Spezifische physikalische Bedingungen
In dem Feld 1 mit Fel = FL gilt :
Q * E = Q * v * B1
Dies muss gelten, damit sich die Teilchen sofort linear bewegen.
Man sieht nun, dass dies unabhängig von Q geschieht, denn mit Q ≠ 0 gilt:
E = v * B1 Ù v = E / B1
Es gilt also E / B1 = const, so dass unabhängig von Ladung und Masse beim
Austritt aus dem ersten Feld die Geschwindigkeit konstant ist.
Für Feld 2 gilt :
Durch die Lorentzkraft werden die eintretenden Teilchen auf eine Kreisbahn
abgelenkt.
Es gilt: FL = Fz ; v = E / B1 ; E = Uk / d
FL = Fz
Ù v * Q * B = (m*v²) / r
Ù r = (m * v) / ( B* Q )
Ù r = ( m * E ) / ( Q * B2 * B1 )
Ù r = [1 / ( Q / m ) ] * [ Uk / ( B1 * B2 * d ) ]
Dies zeigt, dass der Radius bei gleicher Geschwindigkeit der Teilchen nur von der
spezifischen Ladung ( Q / m ) abhängig ist, da Uk, B1, B2 und d jeweils konstant
sind.
Je kleiner also Q/m ist, desto größer ist der Radius r.
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