PHYSIK compact - Basiswissen 7

Massenspektrograph

Fachbezug

Lernziele

Elektrisches Feld, Magnetfeld. Bewegte Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern. Lorentzkraft, Rechte-Hand-Regel, Vektorprodukt. Massenspektrometer.

Aufgabe

Ein Massenspektrometer erlaubt die Bestimmung der Massen elektrisch geladener Teilchen. Da verschieden schwere Massen auf verschiedenen Kreisbahnen abgelenkt werden, spricht man von einem "Massenspektrum".

Mehrfach Massen Demonstration  
Für einzelnes Teilchen: (Hinweis)

Anfangsgeschwindigkeit = m/s
Elektrische Feldstärke E = N/C
Magnetisches Feld B = T

Masse  = · 10-3 kg
Ladung = · 10-3 C

Bitte warte bis die Animation zur Gänze geladen wurde.

Aktivität

  1. Wähle zunächst die Mehrfach Massen Demonstration, bei der fünf gleich geladene Teilchen das Massenspektroskop durchlaufen. Wodurch unterscheiden sich die Teilchen? Beobachte genau die Bahnen der Teilchen!
  2. Ändere für ein einzelnes Teilchen die Anfangswerte und starte anschließend die Animation durch einen Klick auf die Schaltfläche "Setze Werte und starte"!
  3. Überlege genau die Ablenkung der Teilchen: Das Teilchen durchläuft am Anfang Querfelder: Die elektrische Feldstärke E zeigt nach unten und das Magnetfeld B in die Zeichenebene hinein. Da das Teilchen negativ geladen ist, erzeugt das elektrische Feld eine Kraft nach oben F = q . E und das Magnetfeld eine Kraft nach unten F = q . v x B (rechte Handregel, Vektorprodukt). Änderst du jetzt die elektrische oder magnetische Feldstärke, so kann das Teilchen im Allgemeinen nicht mehr den Wienschen Filter durchlaufen. Ermittle v = E/B in der Simulation!
  4. Nun gerät das Teilchen in den Raum, in dem nur noch ein Magnetfeld wirkt: Da die Lorentzkraft stets normal auf die Bewegungsrichtung des Teilchens wirkt, wird das Teilchen auf eine Kreisbahn gezwungen.
    Über |F| = mv2/R = q |v x B| = q v B kann dann aus dem Radius R der Teilchenbahn die Masse m des Teilchens ermittelt werden. Führe das für ein bestimmtes Teilchen durch (Tipp: Wenn das Teilchen im Magnetfeld einen Halbkreis durchfliegt, kannst du den Radius der Teilchenbahn einfach aus dem Durchmesser, der Entfernung zwischen dem Spalt und dem Kollisionspunkt, bestimmen)!
  5. Recherchiere den Aufbau und die Wirkungsweise eines "Wien-Filters" (auch als "Geschwindigkeitsfilter" bezeichnet)!

Physlet Physics by Christian and Belloni. Erweitert von Alfred Nussbaumer, Feb. 2006.
© 2004 by Prentice-Hall, Inc. A Pearson Company

Physlet® - Davidson-College, W.Christian, M.Belloni, P.Krahmer et.al.