Massenspektrograph in der Praxis???

Josi88 · Anmeldungsdatum: 14.01.2006 Beiträge: 2 Wohnort: SUlzheim

Bitte bitte helft mir!
Ich muss Übermorgen ein Referat über Massenspekktrographen halten und solll auch Bezüge zur Realität herstellen, leider kann ich im Internet absolut nichts dazu finde, nur den Hinweiß, man benötige es für Draogentests aber nicht die Funktionsweiße.. Tja hier bräuchte ich eure Hilfe.
Und ich hab nicht kapiert nach welchem System die Ionen im Magnetfeld auf einen Radius gezwungen werden? Wie hängt das mit deren Masse zusammen??? Und warum haben schwerere einen größeren Radius?
Danke für eure Hilfe!
Johanna

as_string · Moderator Anmeldungsdatum: 09.12.2005 Beiträge: 5787 Wohnort: Heidelberg

Hallo!

Also so weit ich weiß gibt es eine wikipedia-Seite zum Thema Massenspektrograf... aber egal.
Also, das Prinzip ist nicht so schwer: Du weißt ja, dass eine bewegte Ladung in einem homogenen Magnetfeld immer eine Kraft senkrecht zu ihrer Geschwindigkeit erfährt. Das ist aber auch der Fall für eine Masse auf einer Kreisbahn. Umgekehrt kann man sich also klar machen, dass, wenn ich auf einen Körper / ein Teilchen immer eine gleich große Kraft senkrecht auf seinen Geschwindigkeitsvektor wirken lasse, das Ding auf eine Kreisbahn gezwungen wird. Auf dieser Kreisbahn ist die Lorentzkraft auf das Teilchen genau die Zentripedalkraft, also:

Muß gleich der der Zentripedalkraft (diesmal aber betragsmäßig...) sein:

zusammen:

oder:

Wenn man also B festhält und Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit v hat, dann kann man aus dem Radius das Verhältnis von Masse und Ladung messen. Da die Teilchen immer ein Vielfaches der Elementarladung haben, läßt sich also die Masse auch einigermaßen bestimmen, allerdings nicht immer eindeutig, wenn man die Ladung nicht genau kennt.
Ich habe mal vor vielen Jahren einen Praktikumsversuch mit einem Massenspektrometer/-graph gemacht. Das größte Problem war, dass man dafür ein einigermaßen gutes Vakuum braucht und die Turbovakuumpumpe doch einen Höllenlärm machte. Inzwischen stört mich das nicht mehr so wahnsinnig... vielleicht sind meine Ohren auch nicht mehr das, was sie mal waren...
Aber insgesamt war unser Versuchsaufbau eher einfach gehalten. Du hast, wenn ich mich recht erinnere, erstmal einen Vorratsbehälter mit der (gasförmigen) Probe. Die ist über ein dünnes Röhrchen dann an den eigentlichen Massespektrografen angeschlossen, der evakuiert sein muß. Der Druck im Vorratsbehälter ist aber auch schon sehr niedrig, so weit ich mich erinnern kann. Da reicht es aber, wenn man den mit einer Kreiskolbenpumpe evakuiert. Die Teilchen gehen dann durch das dünne Röhrchen und bekommen dort eine Geschwindigkeit. Ich weiß allerdings nicht mehr, ob wir das irgendwie kolliminiert hatten, also nach einer Geschwindigkeit gefiltert hatten, weil die ja direkt in die Bestimmung der Masse eingeht. Auf jeden Fall ist der Massenspektrograf dann in einem Magnetfeld und die Teilchen (sofern geladen) machen brav ihre Kreisbahn. Es war dann an der Wand des MS-Kästchen ein Film angebracht, auf dem die Teilchen nachgewiesen werden konnten, indem sie den Film schwärzten. Heute wird dafür wahrscheinlich kein Fotofilm mehr benutzt, schatze ich.
Der Film ist so angebrach, dass die Teilchen nach dem Eintritt in den Spektografen einen Halbkreis beschrieben haben und dann auf den Film auftreffen.
Aus den Schwärzungen des Filmes konnte man dann den Radius ablesen. Da sowohl die Atommassen immer ein Vielfaches der Nukleonenmasse sind und die Ladungen ein Vielfaches der Elementarladung konnte man so recht leicht das q/m Verhältnis für die einzelnen Schwärzungsstellen bestimmen. Besonders deutlich hat man da immer Wassermoleküle sehen können, weil man die nicht so einfach aus einer Vakuumaperatur rausbekommte, wenn man die nicht eine Zeit lang ausheizen läßt. Naja, auf jeden Fall konnten wir schon recht eindeutig die Elemente/Moleküle bestimmen, die die einzelnen Flecken gemacht hatten. Bis auf eine Sache, so weit ich mich erinnern kann... was war das nochmal?
Naja, mußt mal noch sagen, was Du genauer wissen möchtest... Dann kann man Dir sicher noch mehr erzählen.

Gruß
Marco

as_string · Moderator Anmeldungsdatum: 09.12.2005 Beiträge: 5787 Wohnort: Heidelberg

Ich habe gerade noch mal in meinen alten Sachen gewühlt und tatsächlich noch meine alte Auswertung von dem Versuch damals gefunden (Ich hab den demnach am 13.10.1997 gemacht, ist also auch schon ein paar Tage her...)
Ich habe da allerdings was falsches erzählt mit dem Aufbau. Solche Spektrographen gibt es zwar auch, wie ich beschrieben habe, wir hatten aber einen anderen Aufbau. Wenn ich morgen mal dazu komme, kann ich das vielleicht mal einscannen und posten. Ich hab's nämlich nur noch in Papierform.
Um genau zu sein, es war auch kein Massenspektrograph sondern ein Massenspektrometer, als doch ohne Film un Belichtung.
Es gab da nach der Zeichnung wohl eine Ionenquelle (ich weiß leider nicht mehr, wie die funktioniert hat) und eine Blende auf einem anderen Potential als die Metallumrandung der Ionenquelle. Dadurch wurden Ionen mit einer recht konstanten kinetischen Energie aus der Ionenquelle herausgezogen. Unter 90° war eine Blende angebracht und dann nochmal unter 180°. Hinter der zweiten Blende war ein Detektor. Das ganze Ding war jetzt in einem konstanten Magnetfeld untergebraucht und die ganze beschriebene Anordnung in einer Vakuumkammer (die war nicht groß, vielleicht so 20x40cm Grundfläche und ein paar cm hoch).
Gemessen wurde dann das Spektrum, also die Anzahl der Ionen die beim Detektor ankamen bei einer bestimmten Beschleunigungsspannung. Also nicht der Radius oder das Magnetfeld wurde variier, sondern die Geschwindigkeit der Ionen.
Man sieht in einem solchen Spektrum dann verschiedene Linien. Das entspricht dann immer einem m/q oder eben M/n mit M = Massenzahl in u und n = Ionisierungsgrad.
Aus der Gleichung vom letzten Post kann man ausrechnen, dass:

Wenn man jetzt r und B festhält, dann ist auch

Die Konstante nannten wir dann Massenspektrometerkonstante (ziemlich einfallslos, ich weiß...) Keine Ahnung, ob man den Begriff immer in diesem Zusammenhang verwendet...
Mit dieser Anordnung konnte man dann die Mengenverhältnisse von verschiedenen Bestandteilen des gemessenen Stoffes bestimmen. Ein Neon Argon Gemisch gemessen und dabei die Isotopenzusammensetzung der Atome bestimmen können (Isotop eines Elements: gleiche Anzahl Protonen, aber andere Anzahl Neutronen). Ich kann mich noch erinnern, dass das recht gut funktioniert hat und einigermaßen ordentliche Werte rauskamen.

Wenn Dich das ganze (noch) genauer interessiert, dann frag' einfach nach. Ich kann Dir zwar nicht die ganze Auswertung schicken, das sind >30Seiten geworden mit den ganzen Plots und so, aber sonst...

Gruß
Marco

Josi88 · Anmeldungsdatum: 14.01.2006 Beiträge: 2 Wohnort: SUlzheim

Wow danke, das war mehr als ich wissen wollte... Du hast mir zeimlich weiter geholfen, brauchst mir nichts mehr zu schicken, ich denke ich hab jetzt mal relativ alles kapiert. Also noch mal vielen Dank
Johanna