Massenspektrografie
Viele Elemente bestehen aus Isotopengemischen. Auch bei Kernreaktionen entstehen unterschiedliche Isotope. Sie unterscheiden sich in ihren Massen zum Teil nur geringfügig. Die Methode, Teilchen nach ihrer unterschiedlichen Masse voneinander zu trennen und damit zu identifizieren, bezeichnet man als Massenspektrografie. Die entsprechenden Geräte werden als Massenspektrografen oder Massenspektrometer bezeichnet. Den ersten Massenspektrografen entwickelte der britische Physiker und Chemiker FRANCIS WILLIAM ASTON (1877-1945) im Jahr 1919.
Er erhielt für seine wissenschaftlichen Leistungen, insbesondere für die Entdeckung und Massebestimmung von über 200 Isotopen, 1922 den Nobelpreis für Chemie.
Bild 1 zeigt eine etwas andere Bauform eines Massenspektrografen. Das Grundprinzip ist aber das gleiche wie bei ASTON. Es soll nachfolgend genauer beschrieben werden.
Von einer Ionenquelle werden geladenen Ionen abgegeben, die in der Regel eine unterschiedliche Geschwindigkeit haben. Diese Ionen - es könnten auch Isotope eines Isotopengemisches sein - werden durch Blenden auf ein schmales Bündel begrenzt. Anschließend treten sie in ein gekreuztes elektrisches und magnetisches Feld ein, wobei beide Felder senkrecht zueinander stehen. Wenn beide Felder homogen sind und wir von positiv geladenen Teilchen ausgehen, dann gilt:
-
Aufbau eines Massenspektrografen mit gekreuzten Feldern und anschließender magnetischer Ablenkung
- Im elektrischen Feld wirkt auf die positiv geladenen Teilchen eine konstante Feldkraft nach unten, wobei E die Feldstärke des elektrischen Feldes ist.
- Im magnetischen Feld wirkt auf die bewegten geladenen Teilchen die LORENTZ-Kraft nach oben (Linke-Hand-Regel oder Rechte-Hand-Regel). Da die Richtung der Geschwindigkeit und die Richtung des magnetischen Feldes senkrecht zueinander sind, hat die LORENTZ-Kraft den Betrag
, wobei v die Teilchengeschwindigkeit und B die magnetische Flussdichte sind.
Sind diese beiden Kräfte gleich groß, so durchlaufen die Teilchen das gekreuzte elektrische und magnetische Feld geradlinig. Die Bedingung dafür ist:
Bringt man Blenden an, so gelangen nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit weiter. Das gekreuzte elektrische und magnetische Feld wirkt somit als Geschwindigkeitsfilter. Anschließend treten die Teilchen gleicher Geschwindigkeit senkrecht in ein homogenes Magnetfeld ein. Dann wirkt die LORENTZ-Kraft als Radialkraft und es gilt:
Das bedeutet: Konstante und homogene Felder vorausgesetzt, ist der Radius der Kreisbahn umgekehrt proportional zur spezifischen Ladung der Teilchen. Damit lässt sich aus der elektrischen Feldstärke E, den magnetischen Flussdichten B und B' und dem Radius r die spezifische Ladung bestimmen. Kennt man die Ladung der Teilchen, kann aus der spezifischen Ladung ihre Masse berechnet werden.
Mithilfe massenspektroskopischer Untersuchungen fand man heraus, dass fast alle Elemente aus Isotopengemischen bestehen.
Heute verwendet man sehr unterschiedlich gebaute Massenspektrografen. Am gebräuchlichsten sind sogenannte Quadrupol-Massenspektrografen. Dabei durchlaufen die geladenen Teilchen eine Anordnung aus vier parabelförmigen Elektroden, an die eine Kombination aus einem elektrischen Gleichspanungs- und Wechselspannungsfeld angelegt wird. Bei einer bestimmten Kombination dieser Felder gelangen nur Teilchen bestimmter Masse und Energie durch die Anordnung.
Reaktionsprodukte nach Kernreaktionen werden meist in Teilchenspektrografen untersucht. Dabei wird der Impuls durch magnetische Ablenkung und die Energie durch Messung der Flugzeit bestimmt.
