II_9_Fortsetzung2 (pdf ca. 565k)

Anwendungen: Geschwindigkeits-filter, Massenspektrometer, Zyklotron
Das Geschwindigkeitsfilter:
Geschwindigkeitsfilter
(auch Wien-Filter)
Methode der gekreuzten Felder
Wilhelm Wien (1864-1928), dt.
Physiker, 1911 Nobelpreis in Physik
v=
E
B
L = Lochblende
Wilhelm Wien
Geladene Teilchen mit verschiedenen Geschwindigkeiten werden parallel durch die Platten eines
Plattenkondensators geleitet, wobei gleichzeitig ein Magnetfeld erzeugt wird, das jeweils senkrecht zur Bahn der Teilchen und dem elektrischen Feld des Kondensators wirkt.
Sind die elektrische Kraft durch den Kondensator und die Kraft aus dem Magnetfeld gleich groß
und wirken entgegengesetzt, so fliegt das Teilchen ohne Ablenkung durch die Anordnung und die
Lochplatte danach. Alle anderen Teilchen werden abgelenkt und prallen an der Lochblende auf, so
dass durch die Lochblende nur Teilchen kommen, die nicht abgelenkt worden sind. Für diese Teilchen gilt:
Fe = Fm
Q⋅ E = Q⋅v⋅ B
v=
E
B
Durch Anpassen von der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte kann man die
Geschwindigkeit der Teilchen, die durch die Lochblende kommen, selektieren.
Dabei spielt die Masse der Teilchen, der Betrag sowie das Vorzeichen ihrer Ladung keine
Rolle.
Voraussetzung ist, dass die zu filternden Teilchen nicht neutral geladen sind.
Der Massenspektrometer
Teilchenquelle
Massenspektrometer (Massenspektrograph)
nach Bainbridge (schematisch)
Kenneth T. Bainbridge, englischer Physiker
Massenspektrometer dienen zur Trennung von Isotopen eines Nuklids, zu ihrer Massenbestimmung oder
zur Ermittlung von Verhältnissen von Isotopen.
Nuklid: Atomart mit einer bestimmten Protonenzahl Z und einer bestimmten Neutronenzahl N des Atomkerns
Isotope: Atome mit gleicher Protonenzahl und
somit gleichem chemischen Verhalten,
jedoch anderer Neutronenzahl und
somit anderer Masse
Aufbau und Prinzip:
Aus einer Teilchenquelle gelangen Isotope eines Nuklids, die zunächst noch ionisiert werden, mit
verschiedenen Geschwindigkeit in ein elektrisches Längsfeld. Dort werden sie beschleunigt, erreichen dabei verschiedene Geschwindigkeit aufgrund verschiedener Anfangsgeschwindigkeiten
und Massen und werden schließlich mit den Blenden S1 und S2 gebündelt.
Nach Durchlaufen eines Geschwindigkeitsfilters sind nur noch Ionen mit der Geschwindigkeit
v=
E
übrig, die aber trotzdem verschiedene Massen haben können. Nach verlassen des Filters
B
wirkt auf diese Ionen nur noch die Lorentzkraft. Da diese Zentripedalkraft ist, werden die Ionen, die alle die gleiche Ladung haben (Ionen mit anderer Ladung haben aufgrund des Beschleunigungsfeldes höhere oder niedrigere Geschwindigkeiten) und unterschiedlicher Masse auf Kreisbahnen mit verschiedenen Radien gezwungen.
Für die Beträge der Kräfte gilt dabei:
v2
m⋅ = Q⋅v⋅ B
r
E
Mit v =
folgt:
B
E
m
= Q⋅B
B⋅r
m=
Q ⋅ B2
r
E
Q ist für gleiche Isotope konstant, B und E regelbar.
Dadurch ergibt sich: m ~ r
Die Ionen fliegen auf einem Halbkreis und treffen dann je nach
ihrer Masse an verschiedenen Stellen auf, wo sie die Fotoplatte
verfärben.
Andere Beispiele von Massenspektrographen:
Massenspektrograph nach Thomson
Hier sind elektronisches und elektrisches Feld parallel. Dadurch ergeben sich
Ablenkungen in zwei verschiedene Richtungen ¾ Parabeläste für Teilchen mit
gleicher spezifischen Ladung, d. h. bei gleich geladenen Ionen mit gleicher Masse. Die Position auf dem Parabelast wird durch die Geschwindigkeit bestimmt.
Beispiele moderner Massenspektrograpen: