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Massenspektrometer 10:26 min

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Transkript Massenspektrometer

Schönen guten Morgen. Hier ist er wieder, euer Robert Schabloni, heute mit dem Massenspektrometer. Das Massenspektrometer ist ein Gerät, dass man dafür benutzt, um die Masse von Atomen und Molekülen zu bestimmen. Es gibt verschiedene Methoden, wie man das machen kann und wir besprechen hier das Massenspektrometer, nach dem Herrn Bainbridge. Wie funktioniert das? Man benutzt dafür die Kraft im elektrischen  Feld auf ein geladenes Teilchen, dann benutzt man die Kraft im magnetischen Feld auf ein bewegtes, geladenes Teilchen, also die Lorentzkraft und man braucht natürlich geladene Teilchen, Ionen, die Atome, wo man die Masse von bestimmen will, muss man also ioniesieren. Hier habe ich jetzt mal ein Massenspektrometer hingezeichnet. Ich habe hier also eine schematische Zeichnung gemacht und das will ich jetzt erst mal erklären, was das alles für Sachen sind, die man hier sieht. Das große S, das steht für die Ionenquelle, da werden die Atome jonisiert und sausen dann raus. Die Ionen kann man erzeugen, indem man den Stoff da drin ganz heiß macht und denke mal die Ionen da mit einer Beschleunigungsspannung hinaussaugen. Hier haben wir dann einen Plattenkondensator, mit einem elektrischen Feld, senkrecht zu dem elektrischen Feld ist ein magnetisches Feld angelegt, hier durch die blauen Punkte dargestellt. Wenn die Ionen es nun also dadurch geschafft haben, dann gelangen sie in einen Bereich, wo also nur ein magnetisches Feld ist, das B-Strich hier, und da bewegen sie sich dann in einer Kreisbahn und treffen dann auf eine Wand, auf eine Fotoplatte. Rot gestrichelt ist hier die Flugbahn der Teilchen. Ja, also dieser Kreis hat einen Radius, diese Kreisbahn, und ich zeichne jetzt hier mal in Grün den Durchmesser ein von dieser Kreisbahn 2r, 2 mal den Radius. Hier unten auf der Fotoplatte kann man dann anhand des schwarzen Fleckes erkennen wo die Ionen aufgetroffen sind. Extrem wichtig bei der ganzen Sache ist, dass im Inneren dieses Apparates ein Vakuum herrschen muss. Ansonsten können die Ionen da gar nicht durchfliegen, sie würden von der Luft gebremst. Wir betrachten jetzt mal die Vorgänge im Inneren des Massenspektrometers genauer. Wir haben hier also einen Plattenkondensator gehabt und der ist also von einem Magnetfeld durchsetzt gewesen. Das sind die blauen Punkte. Die elektrischen Feldlinien zeichne ich jetzt mal wegen der Übersichtlichkeit nicht ein, aber ihr wisst natürlich, dass sie von Plus nach Minus laufen. Das Ganze ist nun also so angeordnet, dass das elektrische Feld und das Magnetfeld senkrecht aufeinander stehen. So, und jetzt fliegen wir mal von links ein geladenes Teilchen rein, hier in Rot gezeichnet. Das hat eine positive Ladung. Es wird also zur negativen Kondensatorplatte hinabgelenkt. Hervorgerufen durch die Kraft q×E. In die entgegengesetzte Richtung wirkt dann die Lorentz-Kraft und die können wir schreiben als q×v×B. Wenn die beiden Kräfte betragsmäßig gleich sind, dann heben sie sich auf und das Teilchen wird überhaupt nicht abgelenkt, es fliegt gerade durch. Ich schreib das also mal hier rechts als Gleichung hin: q×E=q×v×B Das heißt also, die elektrische Anziehungskraft ist gleich der Lorentzkraft. FE=FL. Wenn man also das elektrische Feld und das magnetische Feld eingestellt hat, dann hängt das also von der Geschwindigkeit ab, ob das Teilchen dann durchkommt oder es abgelenkt wird. Deswegen sagt man dazu auch : Geschwindigkeitsfilter. Wir wollen jetzt die Geschwindigkeit ausrechnen, die das Teilchen haben muss, um grade durchzufliegen. Aus der Gleichung können wir das q herauskürzen, und dann noch einmal durch B teilen und die gesuchte Geschwindigkeit ist dann gerade E:B. Teichen, die also gerade diese Geschwindigkeit haben, werden nicht abgelenkt, sondern fliegen gerade durch den Filter hindurch. Dann gelangen sie in den nächsten Teil des Massenspektrometers, wo sich nur ein Magnetfeld befindet. Ja, wie ihr sicherlich wisst, führt das zu einer Kreisbahn die die Ionen dann beschreiten. Das liegt daran, dass die Lorentzkraft gerade die Zentripetalkraft liefert, die für die Kreisbahn gebraucht wird. FZ ist die Zentripetalkraft und die ist gleich der Lorentzkraft FL. Die Lorentzkraft hatten wir heute schon einmal q×v×B und die Zentripetalkraft, die schreibt sich m×vquadrat:r. Und an das B mache ich jetzt noch einen Strich, damit wir dieses Magnetfeld von dem anderen Magnetfeld, von dem Geschwindigkeitsfilter unterscheiden können. Jetzt kürze ich mal ein v aus dieser Gleichung raus, dann multipliziere ich mit r, dann teile ich noch einmal durch v und dann haben wir das Ganze umgestellt nach der Masse. m ist jetzt=q×BStrich×r×1:v v war =E:B und der Kehrwert davon, 1:v ist dann B:E Als Ergebnis können wir also festhalten dass m=q×r×B×BStrich:E ist. Von dieser Formel können wir eigentlich alle Größen, die wir zur Bestimmung von m brauchen, messen. das r kann man ja am Detektor, an der Photoplatte ablesen, aber das q, die Ladung von dem Jon, die kann man nun leider nicht so direkt messen. Allerdings haben die meisten Ionen, die man in der Jonquelle erzeugt, eine Elementarladung, also q=e. Wenn die jetzt eine größere Ladung haben, also q ist zum Beispiel 2e, dann fliegen die auf einer engeren Kreisbahn mit dem halben Radius. Das kann man auch an der Formel sehen, wenn man q verdoppelt und r halbiert, dann bleibt m gleich. Diese Auftreffpunkte liegen also weit auseinander, man wird sich da nicht so leicht vertun. Man kann mit dem Massenspektrometer auch feststellen, dass Elemente aus verschiedenen Isotopen zusammengesetzt sind. Diese Isotope, also Atome, wo sich die Masse geringfügig unterscheidet und die zu einem Element gehören, die treffen also dicht nebeneinander auf. So, jetzt sind wir also schon fast am Ende, aber eine Sache möchte ich noch klären. Wenn ihr eine Klausur schreibt und ihr sollt da ein Massenspektrometer skizzieren, dann müsst ihr natürlich auch wissen, wie man die Richtung von v, von B und von E richtig wählt. Wenn man ein Magnetfeld zeichnet und dafür Punkte hinmalt, dann heißt das, dass die Magnetfeldlinien aus der Zeichenebene herauszeigen, also nach oben. Nun soll von rechts ein positiv geladenes Teilchen in das Magnetfeld hineinfliegen. Die Richtung der Lorentzkraft, die kann man nur bestimmen mit der Drei-Finger-Regel, der rechten Hand. Für negativ geladene Teilchen kann man das mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand machen. Wir nehmen also den Daumen und halten ihn in die Bewegungsrichtung des geladenen Teilchens. Den Zeigefinger halten wir in Richtung der Magnetfeldlinien und dann halten wir den Mittelfinger senkrecht zu den beiden anderen Fingern, und das ist dann die Richtung der Lorentzkraft. Wenn wir nun einen Geschwindigkeitsfilter bauen wollen, müssen wir also die negativ geladene Kondensatorplatte oben hinmachen und unten die positiv geladene. Denn nur so kann die elektrische Ablenkungskraft q×E, die Lorentzkraft kompensieren. Wenn man das Magnetfeld mit so Kreuzen zeichnet, dann heißt das, das zeigt nach unten, also in die Zeichenebene hinein. So, und nun soll ein Teilchen von rechts nach links fliegen. Es ist ebenfalls wieder positiv geladen. Also, wir halten jetzt den Daumen nach links und den Zeigefinger nach unten und dann spreizen wir den Mittelfinger ab und jetzt zeigt der nach gerade hier, also da nach unten an die Bildschirmkante. Nun müssen wir also den Plattenkondensator genauso bauen, wie eben auch, also mit der negativen Kondensatorplatte oben hin und die positiv geladene unten hin, damit das Teilchen da andersherum abgelenkt wird, also nach oben. Jetzt wisst ihr also, worauf man achten muss, wenn man ein Geschwindigkeitsfilter zeichnet. Ja und das war es dann auch zum Massenspektrometer. Ich verabschiede mich. Bis zum nächsten Mal.  

6 Kommentare
  1. Ich denke das es eine Verbesserung wäre, wenn die Rechnung der Testfrage, wie z.B. bei diesem Video, am Ende, nach der Antwort eingeblendet werden würde.
    So hätte man dann die Möglichkeit es zumindest nachzuvollziehen, und kann eventuell noch offene Fragen erkennen und diese dann unter dem Video zu klären. Ich beende nun dieses Video mit dem Makel die Aufgabe nicht gelöst zu haben. :-(

    Von Sweat Technique, vor fast 5 Jahren
  2. Ein Lob an den Sprecher. Hahahaha. :)

    Von F206695, vor mehr als 5 Jahren
  3. hallo :)) ich habe eine frage und zwar : wenn an wolkenlosen sommertagen die sonne zehn stunden lang scheint , dann ist insgesamt eine energie von 18MJ pro Quadrat meter eingestrahlt worden. um wie viel erhöht sich dadurch die temperatur im schwimmbecken ( Wassertiefe 2,5m) und im Planschbecken ( wassertiefe 0,8 m)?

    Von Cerenalsulu, vor fast 6 Jahren
  4. @Patrick: Du hast recht. Bei der ersten Erklärung des Geschwindigkeitsfilters zeigt die Lorentzkraft in die falsche Richtung und damit Lorentzkraft und elektrische Kraft in entgegengesetze Richtungen zeigen müsste mann plus und minus beim Plattenkondensator vertauschen.

    Von Nikolai P., vor mehr als 6 Jahren
  5. Du hast einen kleinen Fehler gemacht! Wie du am Ende richtig beschreibst muss die obere Platte im Geschwindigkeitsfilter negativ geladen sein. Fehler: Bei 3:47 muss es sich aber um ein negatives Teilchen handeln wenn die Lorentzkraft nach oben wirken soll. Wenn es aber negativ ist, wird es nicht von der unteren negativ geladenen Platte angezogen.

    Gruß Patrick

    Von Patrick S., vor mehr als 6 Jahren
  1. Super tolles Video, hat mir sehr weitergeholfen!

    Von Rhoenisch, vor mehr als 7 Jahren
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Massenspektrometer Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Massenspektrometer kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Funktion des Massenspektrometers an.

    Tipps

    Es wirkt die Lorentzkraft.

    Die Lorentzkraft wirkt auf bewegte Ladungsträger.

    Lösung

    Das Massenspektrometer ist, wie der Name schon vermuten lässt, ein Messgerät zur Bestimmung der Masse von Atomen und Molekülen.

    Mit Hilfe eines Geschwindigkeitsfilters werden nur Ionen, die sich mit einer bestimmen Geschwindigkeit bewegen, in eine Vakuumröhre geleitet. Hier sind sie nun ausschließlich einem magnetischen Feld ausgesetzt und werden aufgrund der Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gelenkt. Diese Kraft wirkt ausschließlich auf geladene Teilchen. Neutronen oder neutrale Teilchen werden also nicht beeinflusst und sind daher auch nicht messbar. Je nachdem, wie stark das Magnetfeld, wie groß die Masse des Ions und wie schnell dieses ist, trifft es an einer bestimmten Stelle auf einer Photoplatte auf. Man kann über den Radius der Kreisbewegung bestimmen, welche Masse das Ion haben muss.

    So können auch die Massen sehr leichter Teilchen bestimmt werden.

  • Gib an, welche Aussagen über das Massenspektrometer zutreffen.

    Tipps

    Das Massenspektrometer besteht unter anderem aus einem Geschwindigkeitsfilter.

    Nach dem Geschwindigkeitsfilter findet sich ein evakuiertes Vakuumrohr.

    Lösung

    Das Massenspektrometer beruht auf einigen wenigen physikalischen Grundannahmen.

    Zunächst müssen die betrachteten Teilchen unbedingt elektrisch geladen sein. Es kommen daher Elektronen, Protonen oder Ionen als Probekörper infrage. Neutronen oder nach außen elektrisch neutrale Elemente oder Moleküle können nicht verwendet werden. Das liegt daran, dass auf die Teilchen die Lorentzkraft wirken soll, um eine Kreisbewegung zu erzeugen und so anhand des Radius eine Aussage über die Masse machen zu können. Es wirkt also eine Kraft im Magnetfeld.

    Aufgrund dieser Kraft werden die geladenen Teilchen auf eine Kreisbahn bewegt und letztendlich auf eine Photoplatte geschossen. Je nach Auftreffpunkt kann man nun bestimmen, wie schwer das auftreffende Teilchen sein musste.

    Wichtig ist dabei, dass im Inneren des Massenspektrometers ein Vakuum herrscht. Andernfalls treffen die beschleunigten Ionen, schon bevor sie auf die Photoplatte treffen, auf Gasmolekühle, sodass keine Messung mehr möglich wäre.

  • Bezeichne den Aufbau des Massenspektrometers.

    Tipps

    Unter Einwirkung der Lorentzkraft verlaufen die Ionen auf einer Kreisbahn.

    Die Lorentzkraft wirkt auf bewegte Ladungsträger.

    Den Kondensator mit angelegtem Magnetfeld können nur Ionen mit bestimmter Geschwindigkeit passieren.

    Die Messung muss im Vakuum stattfinden.

    Lösung

    Das Massenspektrometer besteht im Wesentlichen aus vier Bauteilen, die innerhalb eines evakuierten Raumes angebracht sind.

    Das erste Bauteil ist eine Ionenquelle. Diese erzeugt freie Ionen, indem etwa eine Heizspule unter Spannung gesetzt wird. Diese freien, geladenen Teichen werden beschleunigt und durch einen Geschwindigkeitsfilter gelenkt. Dieser Filter ist das zweite Bauteil. Diesen können nur Ionen bestimmter Geschwindigkeit passieren. Aufgrund des elektrischen Feldes werden zu langsame Ionen zu den Platten des Kondensators abgelenkt. Ionen, die zu schnell sind, werden aufgrund der Lorentzkraft ausgesiebt.

    Die Ionen, welche den Filter passieren, gelangen durch eine Blende in den zweiten Teil des Massenspektrometers. Hier sind die Ionen wieder einem magnetischen Feld ausgesetzt, sozusagen dem dritten Bauteil des Messgerätes. Auch hier wirkt die Lorentzkraft und die Ionen werden auf eine Kreisbahn gelenkt. Der Radius der Kreisbahn ist dabei äquivalent zur Masse der Ionen. Auf einer Photoplatte, dem vierten Bauteil, werden die Ionen detektiert. So kann der Radius der Kreisbewegung genau ermittelt und schlussendlich mit dem Ansatz $m = \frac{q \cdot B' \cdot r}{v} $ bestimmt werden.

    Die Messung muss dabei im Vakuum stattfinden. Andernfalls würden die Ionen mit den Gasmolekülen stoßen und ihre Bewegungsenergie verlieren. Eine zuverlässige Messung wäre nicht weiter möglich.

  • Bestimme die fehlenden Begriffe.

    Tipps

    Isotope sind meist nur wenige Neutronenmassen leichter oder schwerer als ihre elementaren Atome.

    Der Radius der Ionenbewegung verhält sich proportional zur Ionenmasse.

    Im Geschwindigkeitsfilter gilt : $v = \frac{E}{B}$.

    Lösung

    Um die Aussagen zu überprüfen, betrachten wir zunächst den Geschwindigkeitsfilter. Nur Ionen mit einer bestimmten Geschwindigkeit können diesen passieren. Mit dem Ansatz $v = \frac{E}{B}$ kann die Durchtrittsgeschwindigkeit ermittelt werden. Für den Fall, das $E$ und $B$ den gleichen Betrag aufweisen, ergibt sich dann mit $E = B$ in $v = \frac{E}{B} = \frac{E}{E} = 1 \frac{m}{s}$. Für einen Geschwindigkeitsfilter mit $ E = 3,9 \frac{kv}{m} $ und $ B = 1,1 T$ ergibt sich aus dem gleichen Ansatz $v = \frac{3,9 \frac{kv}{m}}{1,1 T} = = 3.545,45 \frac{m}{s}$.

    Da die Masse eines Teilchens direkt proportional zum Radius der Ionenbahn ist, treffen schwere Teilchen weiter außen auf als leichtere. Das ist damit zu erklären, dass der Radius der Ionenbahn zunimmt und der Abstand zwischen Blende und Auftreffpunkt ebenfalls steigt.

    Haben Teilchen ähnliche Massen, wie es bei den Isotopen einer Atomart der Fall ist, treffen diese logischerweise nah beieinander auf der Photoplatte auf. Auch hier liegt die Proportionalität von Radius und Masse zugrunde. Isotope sind ja nur ein wenig leichter oder schwerer als ihre elementaren Ionen, denn der Gewichtsunterschied besteht meist in wenigen Neutronenmassen.

    Du siehst: Mit einigen simplen Ansätzen lassen sich auch relativ komplexe Fragestellungen zum Massenspektrometer leicht beantworten.

  • Berechne die Geschwindigkeit der Ionen hinter dem Geschwindigkeitsfilter.

    Tipps

    Rechne in den Grundeinheiten.

    Es soll $ F_E = F_L$ sein.

    Es gilt $ q \cdot E = q \cdot v \cdot B$.

    Lösung

    In einem Geschwindigkeitsfilter steht ein Magnetfeld der Stärke $B$ senkrecht auf dem elektrischen Feld $E$ eines Kondensators.

    Bringt man nun eine beschleunigte Ladung senkrecht zu $B$ und $E$ in den Geschwindigkeitsfilter ein, so wirken auf den Probekörper zum einen die Kraft $ F_E = q \cdot E $ aus der elektrischen Anziehung des elektrischen Feldes sowie die Lorentzkraft $ F_L = q \cdot v \cdot B$.

    Nur, wenn sich die beiden Kräfte im Gleichgewicht befinden, kann ein Teilchen den Filter passieren.

    Setzen wir also $ F_E = F_L$. Damit ist $ q \cdot E = q \cdot v \cdot B$. Nun kürzen wir das $q$ weg und erhalten : $ E = v \cdot B $. Umgestellt nach $v$ ergibt sich nun $ v = \frac{E}{B} $.

    Die Filterwirkung hängt also nur von der Stärke des elektrischen Feldes und der Magnetfeldstärke ab.

    Für einen Filter mit : $ E =1,45 \frac{kV}{m} $ und $B = 278 mT$ ergibt sich $ v = \frac{E}{B} = \frac{1,45 \frac{kV}{m}}{278 mT} = \frac{1450 \frac{V}{m}}{0,278 T} =5.215,83 \frac{m}{s}$.

    Achte bei der Berechnung unbedingt darauf, in den Grundeinheiten zu rechnen.

  • Berechne die Massen.

    Tipps

    $ v = \frac{E}{B} $

    Rechne in den Grundeinheiten.

    $m = \frac{q \cdot r \cdot B' \cdot B}{E}$

    Lösung

    Um die Masse eines Teilchens zu berechnen, welches auf die Photoplatte des Massenspektrometers aufgetroffen ist, müssen wir zunächst einmal dessen Ladung und Geschwindigkeit kennen. Zudem müssen wir das an der Vakuumröhre angelegte Magnetfeld kennen sowie den Radius der Kreisbewegung.

    Sind diese Größen bekannt, so können wir die Formel $m = \frac{q \cdot r \cdot B' \cdot B}{E}$ anwenden.

    Doch wo finden wir hier die Geschwindigkeit? Im Massenspektrometer ist ein sogenannter Geschwindigkeitsfilter integriert. Dieser besteht aus einem Kondensator, auf den ein ausgerichtetes Magnetfeld wirkt. Tritt nun ein geladenes Teilchen hindurch, wird dieses entweder vom magnetischen oder elektrischen Feld abgelenkt oder diese beiden Wirkungen heben sich auf und das Teilchen passiert den Filter. So kann sichergestellt werden, dass nur Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die Vakuumröhre des Massenspektrometers eintreten. Es gilt der Zusammenhang $v = \frac{E}{B}$.

    Die Teilchen, die den Geschwindigkeitsfilter passiert haben, sind nun also alle gleich schnell und werden in die Vakuumröhre eingeleitet. Hier werden sie nun durch das Magnetfeld $B'$ ausgerichtet. Dieses ist nicht gleich dem Magnetfeld im Geschwindigkeitsfilter. Als Folge der Lorentzkraft werden die geladenen Teilchen auf eine Kreisbahn gelenkt und treffen auf einer Photoplatte auf. Anhand des Auftreffpunkts kann nun der Radius der Kreisbewegung $r$ abgemessen werden. Nun kann man alle Größen einsetzen und erhält als Ergebnis die Masse des untersuchten Teilchens.

    Betrachten wir ein Beispiel: Ein Ion mit doppelter Einheitsladung $e$ tritt einen Geschwindigkeitsfilter mit $E = 1,1 \frac{kV}{m} $ und $B = 5 mT$. In der anschließenden Vakuumröhre herrscht ein Magnetfeld von $B' = 32,2 T$. Der Radius der Kreisbahn wird zu $ r = 7,7 mm$ bestimmt.

    Wir setzen in $m = \frac{q \cdot r \cdot B' \cdot B}{E}$ ein und erhalten so $m = \frac{3,2 \cdot 10^{-19} \cdot 0,0077mm \cdot 32,2 T \cdot 0,005 T}{1100 \frac{V}{m}}.

    Als Ergebnis erhalten wir nun $m = = 3,61 \cdot 10^{-25} kg$.