1 Ablenkung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern
1.1 Grundlagen
Auf ein Teilchen mit Ladung q, das sich mit der Geschwindigkeit v bewegt, wirkt in einem elektrischen Feld E und einem magnetischen Feld B die Kraft
F = q(E + v B):
Wird ein Strahl aus Teilchen der Masse m und der Ladung q mit der Geschwindigkeit (0,0,v) in ein zeitlich konstantes, homogenes Magnetfeld (0,B,0) geschossen, so beschreibt dieser in der x-z-Ebene eine Kreisbahn. Der Radius der Kreisbahn ist proportional zu m/q, denn
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Wenn der Teilchenstrahl (0; 0; vz ) einem homogenen, konstanten elektrisches Feld (0,E,0) ausgesetzt wird, erhält die Geschwindigkeit eine y-Komponente,
da die Teilchen in Feldrichtung mit[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]beschleunigt werden. Die z- Komponente vz der Geschwindigkeit bleibt gleich, die Teilchen durchlaufen also eine Parabelbahn. Der Ablenkwinkel alpha berechnet sich zu
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mit l, Länge der Flugbahn in x-Richtung.
1.2 Thomsons Parabelversuch
Kombiniert man das E-Feld (0,E,0) und das B-Feld (0,B,0) aus Abschnitt 1.1, erhält man die Versuchsanordnung nach J.J.Thomson zur Ionenmassenbestim- mung. B sei dabei klein, so daÿ die von den Ionen im Feld zurückgelegte Strecke nur einen kleinen Bogen der Kreisbahn darstellt. Dann ergibt sich als Näherung für die Ablenkung des ursprünglich in z-Richtung weisenden Ionenstrahls durch das Magnetfeld
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Die Ablenkung durch das elektrische Feld beträgt
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Elimination von v ergibt
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d.h. Teilchen mit gleichem m/q aber unterschiedlicher Geschwindigkeit erzeugen auf einer zur x-y-Ebene parallelen Photoplatte im Abstand D einen Parabelast.
Die schnelleren Ionen tre en näher zum Scheitel der Parabel auf. Je kleiner m/q ist, desto weiter ist die Parabel. Schickt man einen aus verschidenen Ionen zusammengesetzten Strahl durch die Anordnung, kann man aus den abgebildeten Parabelästen mit Hilfe der bekannten Parameter E,D,l,B - und bei bekannter Ladung q - die Massen der Ionen bestimmen.
2 Massenspektrometer
2.1 Grundsätzlicher Aufbau
- Probenzuführung
- Ionenerzeugung
- Massentrennung
- Ionennachweis
2.1.1 Ionenquellen
- Elektronenstoÿ-Ionenquellen
Die Ionisation erfolgt nach dem Schema
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wobei das auftre ende Elektron mindestens die Austrittsenergie für das zu Ionisierende Atom oder Molekül mitbringen muÿ.
- Ionenstoÿ-Ionenquellen
Die Ionisation erfolgt durch den Beschuÿ von neutralen Atomen oder Mole- külen. Damit können nicht nur gasförmige, sondern auch feste Substanzen direkt ionisiert werden, da die auftre enden Ionen die gebundenen Atome aus dem Festkörperverband durch Stoÿ befreien können. Dies ermöglicht die Analyse von Ober ächenschichten mit dem Massenspektrometer.
- Gasentladungsionenquellen
Die Ionisation erfolgt durch Gasentladung in einem Raumbereich hoher elektrischer Feldstärke, die durch eine Hochspannung zwischen Anode und Kathode erzeugt wird. Die bei der Ionisation erzeugten Elektronen werden im Feld beschleunigt und ionisieren wenn sie genügend kinetische Energie besitzen weitere Gas-Atome, ebenso aus der Kathode durch Auftre en der Ionen ausgelöste Sekundärelektronen.
2.1.2 Ionennachweis
Der Ionennachweis im Massenspektrometer erfolgt durch eine Nachweiselektro- nik in der durch die Ionen ausgelöste elektrischen Impulse registriert und ver- stärkt werden. Durch Variaton der gerätespezi schen Parameter (z.B. B-Feld) kann der gesamte Massenbereich der vom Analysator registriert wird durchfah- ren werden und man erhält ein Massenspektrum in dem die Höhe der einzelnen Peaks proportional zur Häu gkeit der entsprechenden Teilchensorte im Proben- gemisch ist.
Im Massenspektrographen (z.B. Parabel-Spektrograph nach Thomson) er- folgt der Ionennachweis photogra sch. Die maximal erreichbare Au ösung wird hierbei durch die Korngröÿe des verwendeten photographischen Materials be- schränkt.
2.2 Typen von Massenspektrometern
2.2.1 Quadrupol-Massenspektrometer
Die Massentrennung erfolgt in einem elektrischen Quadrupolfeld, welches durch eine Anordnung von 4 sich gegenüberstehenden hyperbolischen Zylindern als Elektroden erzeugt werden kann. Aus dem Potential
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Durch die Verwendung eines Potentials, das aus konstanten Teil U und einem periodisch veränderlichen Teil V cos!t besteht, erhält man ein Quadrupolfeld, welches als Massen lter mit einer gewissen Bandbreite wirkt. Denn leichte Ionen, die der alternierenden Komponente des Felds folgen können, haben in x-Richtung instabile Flugbahnen, wenn der Ein uÿ der alternierenden Kompo- nente gröÿer ist als der der konstanten Komponente (Hochpaÿ). In y-Richtung hingegen haben schwerde Ionen instabile Flugbahnen, die leichten werden durch die alternierende Komponente stabilisiert, wenn deren Gröÿe und Frequenz aus- reicht, um die divergierende Amplitude korrigieren zu können (Tiefpaÿ).
2.2.2 Weitere Arten von Massenspektrometern
Die Massentrennung kann auch erfolgen durch Ausnutzung der Linsen- und Prismenwirkung von elektrischen und magnetischen Sektorfeldern, z.B. durch doppelfokussierende Massenspektrometer. Dabei handelt es sich um eine Tandemanordnung von elektrischem und magnetischem Sektorfeld.
Im Zykloiden-Massenspektrometer erfolgt die Massentrennung durch Ein- schuÿ der Teilchen in ein Raumgebiet in dem ein homogenes magnetisches und ein homogenes elektrisches Feld aufeinander senkrecht stehen. Ist die Einschuÿ- richtung senkrecht zu den magnetischen Feldlinien dann beschreiben die Ionen Zykloidenbahnen. Ionen einheitlicher Masse, welche durch einen engen Spalt in das Feld eintreten erzeugen in der Ebene des Objektspalts ein Bild im Abstand
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Das Massensynchronometer benutzt das Prinzip der Laufzeittrennung im Magnetfeld. Hierbei wird die Di erenz der Umlaufzeiten gemessen, die Ionen verschiedener Masse auf Kreisbahnen im Magnetfeld aufweisen.
3 Auösungsvermögen
Folgende Faktoren beein ussen das maximal erreichbare Au ösungsvermögen eines Quadrupol-Massen lters
- Länge des Analysators
- Frequenz des HF-Feldes
Der Analysator muÿ lang genug sein um eine Trennung von Ionen mit mathematisch stabilen Bahnen von jenen Ionen zu ermöglichen. deren Flugbahn langsam wachsende Amplituden aufweisen. Es gilt
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n ist die Anzahl der Schwingungen des HF-Feldes, denen das Ion während der Durchquerung des Analysators ausgesetzt ist; K ist ein geräteabhängiger Faktor in der Gröÿenordnung von 20. Für ein Ion mit der kinetischen Energie eUz gilt:
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l : Länge des Analysators
v: Frequenz des HF-Feldes
Daraus folgt
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d.h. das maximale Au ösungsvermögen eines Quadrupol lters wächst mit zunehmender Masse.
4 Anwendungsbereiche
- Isotopenhäu gkeitsmessungen
- Präzisionsmassenbestimmung
- Quantitative und qualitative Analysen
Häufig gestellte Fragen
Wovon hängt die Kraft ab, die auf ein geladenes Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern wirkt?
Die Kraft hängt von der Ladung q des Teilchens, seiner Geschwindigkeit v, dem elektrischen Feld E und dem magnetischen Feld B ab. Sie wird durch die Formel F = q(E + v × B) beschrieben.
Was passiert, wenn ein Teilchenstrahl in ein homogenes Magnetfeld geschossen wird?
Der Teilchenstrahl beschreibt in der x-z-Ebene eine Kreisbahn. Der Radius der Kreisbahn ist proportional zu m/q, dem Verhältnis von Masse zu Ladung des Teilchens.
Wie verhält sich ein Teilchenstrahl in einem homogenen elektrischen Feld?
Die Geschwindigkeit der Teilchen erhält eine y-Komponente, da sie in Feldrichtung beschleunigt werden. Die z-Komponente der Geschwindigkeit bleibt gleich, die Teilchen durchlaufen also eine Parabelbahn.
Was ist der Thomsonsche Parabelversuch?
Es ist eine Versuchsanordnung nach J.J.Thomson zur Ionenmassenbestimmung, bei der ein E-Feld und ein B-Feld kombiniert werden. Teilchen mit gleichem m/q aber unterschiedlicher Geschwindigkeit erzeugen auf einer Photoplatte einen Parabelast.
Welche Hauptkomponenten hat ein Massenspektrometer?
Die Hauptkomponenten sind: Probenzuführung, Ionenerzeugung, Massentrennung und Ionennachweis.
Welche Arten von Ionenquellen gibt es?
Es gibt Elektronenstoß-Ionenquellen, Ionenstoß-Ionenquellen und Gasentladungsionenquellen.
Wie erfolgt der Ionennachweis im Massenspektrometer?
Der Ionennachweis erfolgt durch eine Nachweiselektronik, die durch die Ionen ausgelöste elektrische Impulse registriert und verstärkt.
Was ist ein Quadrupol-Massenspektrometer?
Es ist ein Massenspektrometer, bei dem die Massentrennung in einem elektrischen Quadrupolfeld erfolgt. Dieses Feld wirkt als Massenfilter.
Welche Faktoren beeinflussen das Auflösungsvermögen eines Quadrupol-Massenfilters?
Die Länge des Analysators und die Frequenz des HF-Feldes beeinflussen das maximal erreichbare Auflösungsvermögen.
Welche Anwendungsbereiche hat die Massenspektrometrie?
Zu den Anwendungsbereichen gehören Isotopenhäufigkeitsmessungen, Präzisionsmassenbestimmung, quantitative und qualitative Analysen sowie physikalisch-chemische Untersuchungen.
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- Oliver Fischer (Author), 2000, Massenspektrometer, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/100085
