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chemie artikel (Interpretation und charakterisierung)

Allgemeines und prinzip - massenspektrometrie


1. Atom
2. Erdöl



Allgemeines und Prinzip Die Massenspektrometrie entwickelte sich im 19. Jahrhundert, als J.J. Thomson das

Ladung/Masse-Verhältnis von Kathodenstrahlen in Vakuumröhren gemessen hat.

Thomson baute 1913 das erste Massenspektrometer und demonstrierte damit die

Existenz von Isotopen.

Massenspektrometrie ist nicht nur ein Werkzeug zum Verstehen von chemischen und

physikalischen Prozessen, es ist auch eine Methode der chemischen und physikalischen

Analyse. Persönlichkeiten wie Aston, der die erste geschwindigkeitsabhängige

Fokussiereinrichtung im Jahre 1919 entwickelt hatte haben die Geschichte dieser

Entwicklungen mitgeprägt.

Aber erst in den 50er Jahren setzte eine weite Verbreitung der Massenspektrometrie ein,

als man erkannte, daß die Massenspektrometrie sich zur Strukturaufkärung organischer

und anorganischer Stoffe eignet.

- 18 -

Das Prinzip der Massenspektrometrie besteht darin, daß die zu untersuchende Substanz

in den gasförmigen Aggregatzustand übergeführt wird und unter einem Druck p von

circa 10-4 Pa vorliegt. Anschließend wird das Gas mit Elektronen beschossen. Hierbei

entstehen primär einfach positiv geladene Ionen:

- + - + .. . + e M e M 2

Diese Molekülionen werden durch ein elektrisches Feld mit Spannung U beschleunigt.

In einemMagnetfeld werden die Ionen gemäß der Lorentzkraft FL abgelenkt:

B v Q FLorentz キ キ = ; Q: Ladung des Ions in Coulomb; B: Magnetische Flußdichte in

Tesla;

Da es sich hier meist um einfach geladene Ionen handelt ist die Ladung Q gleich der

Elementarladung e.

Also:

( ) 1 B v e FLorentz キ キ =

Die Geschwindigkeit v läßt sich aus der Beschleunigungsenergie im elektrischen Feld

berechnen. Für die Berechnung geht man davon aus, daß die Anfangsgeschwindigkeit

des Ions v0 = 0 m/s ist. Die kinetische Energie des Ions ist demnach gleich der Energie

des elektrischen Feldes:

Feld kin E E =

U Q v m キ = 2

2

1

beziehungsweise U e v m キ = 2

2

1

Daraus folgt: ( ) 2 2

2

U

m

e

m

U e

v = キ キ =

Gleichung (2) in (1) eingesetzt ergibt:

B m U

m

e

FLorentz キ キ = 2

Den Radius r der Bahn, auf die die Ionen gezwungen werden, läßt sich über die

Zentripetalkraft FZ berechnen:

r

v m

FZ

2

=

Wenn sich das Ion auf einer Kreisbahnn bewegt, dann muß der Betrag der

Zentripetalkraft gleich dem der Lorentzkraft sein:

Z Lorentz F F =

- 19 -

r

v m

B v e

2

=

Nach r aufgelöst ergibt sich:

( ) 3

B

m

e

v

r



=

Gleichung (2) ergibt in (3) eingesetzt:

B

m

e

U

m

e

r

2

= also:

B

m

e

U

r

1 2 キ キ =

Die Lorentzkraft und damit die Stärke der Ablenkung, der Bahnradius, der Ionen im

Magnetfeld ist demnach abhängig von der spezifischen Ladung

m

e

des Ions.

Die Ionen werden nach dem Magnetfeld , zum Beispiel mittels Photoplatte, registriert.

Anmerkung: Da die Masse eines Teilchens nach der Relativitätstheorie abhängig ist von

der Geschwindigkeit, muß ab großen Beschleuinigungsspannungen relativistisch gerechnet

werden., das heißt wenn die errechnete Geschwindigkeit v größer als 10% der

Lichtgeschwindigkeitist, also wenn v= 3,0.106m.s-1.

 
 




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