Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer

GFS von Markus SchultzGFS von Markus Schultz

21.02.0521.02.05

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer

1 Was ist ein Massenspektrometer?1 Was ist ein Massenspektrometer?

2 Geschichte2 Geschichte

3 Aufbau3 Aufbau 3.1 Ionenquelle3.1 Ionenquelle 3.2 Geschwindigkeitsfilter3.2 Geschwindigkeitsfilter 3.3 Ablenkfeld3.3 Ablenkfeld 3.4 Massenspektrum / Detektor3.4 Massenspektrum / Detektor

4 Auswertung4 Auswertung 4.1 Herleitung4.1 Herleitung

5 Quellenangaben5 Quellenangaben

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 1. Was ist ein Massenspektrometer ?1. Was ist ein Massenspektrometer ?

Ein Ein SpektrometerSpektrometer kennt jeder als Instrument, das zur kennt jeder als Instrument, das zur Aufspaltung von Licht in sein Spektrum dient. Aufspaltung von Licht in sein Spektrum dient.

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 1. Was ist ein Massenspektrometer ?1. Was ist ein Massenspektrometer ?

Ein Ein MassenspektrometerMassenspektrometer funktioniert auf ähnliche Weise, trennt funktioniert auf ähnliche Weise, trennt aber Atome statt Licht in ein "Massenspektrum". aber Atome statt Licht in ein "Massenspektrum".

Wird nur ein einziges Element gemessen, trennt das Wird nur ein einziges Element gemessen, trennt das Massenspektrometer die Massenspektrometer die IsotopeIsotope dieses Elements in deutliche dieses Elements in deutliche Linien, da jedes Isotop eine etwas unterschiedliche Masse hat. Linien, da jedes Isotop eine etwas unterschiedliche Masse hat.

Mit einem Massenspektrometer kann man somit die isotopische Mit einem Massenspektrometer kann man somit die isotopische Zusammensetzung eines Elements sehr genau bestimmen. Zusammensetzung eines Elements sehr genau bestimmen.

Die Die Intensität Intensität der Linien des Massenspektrums der Linien des Massenspektrums proportionalproportional zu zu den Häufigkeiten der Isotope eines Elements.den Häufigkeiten der Isotope eines Elements.

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 2. Geschichte2. Geschichte

Der Massenspektrometer wurde zum Der Massenspektrometer wurde zum ersten mal durch den englischen ersten mal durch den englischen Chemiker und Physiker Francis William Chemiker und Physiker Francis William Aston erfolgreich eingesetzt. Aston erfolgreich eingesetzt.

Hierfür erhielt er 1922 den Nobelpreis der Hierfür erhielt er 1922 den Nobelpreis der ChemieChemie

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3. Aufbau3. Aufbau

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3. Aufbau3. Aufbau

In erster Linie besteht ein In erster Linie besteht ein Massenspektrometer Massenspektrometer aus vier Haupt-aus vier Haupt-komponenten:komponenten:

1.1. Der IonenquelleDer Ionenquelle

2.2. GeschwindigkeitsfilterGeschwindigkeitsfilter

3.3. Dem AblenkfeldDem Ablenkfeld

4.4. Dem DetektorsystemDem Detektorsystem

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3. Aufbau3. Aufbau

Es wird in den meisten Fällen ein sog. Geschwindigkeitsfilter Es wird in den meisten Fällen ein sog. Geschwindigkeitsfilter eingebaut.eingebaut.

Um ein Massenspektrometer sinnvoll zu betreiben, benötigt Um ein Massenspektrometer sinnvoll zu betreiben, benötigt man außerdem ein Pumpensystem um das notwendige man außerdem ein Pumpensystem um das notwendige Vakuum zu erzeugen, damit die Ionen ungestört von der Vakuum zu erzeugen, damit die Ionen ungestört von der Quelle zu den Detektoren fliegen können und nicht mit Quelle zu den Detektoren fliegen können und nicht mit Luftmolekülen kollidieren.Luftmolekülen kollidieren.

Und um die Bedienung des Geräts und der Auswertung des Und um die Bedienung des Geräts und der Auswertung des Spektrums zu vereinfachen, benötigt man einen dafür Spektrums zu vereinfachen, benötigt man einen dafür geeigneten Computer.geeigneten Computer.

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3.1 Ionenquelle – Möglichkeit 1 - Verdampfung3.1 Ionenquelle – Möglichkeit 1 - Verdampfung

Es gibt viele verschiedene Methoden die notwendige Es gibt viele verschiedene Methoden die notwendige Ionisierung herbei zu führen.Ionisierung herbei zu führen.Im Grunde funktionieren sie alle nach dem selben Im Grunde funktionieren sie alle nach dem selben Prinzip:Prinzip:

Eine Probe wird verdampft Eine Probe wird verdampft →→ heißes Gas entsteht heißes Gas entstehtIm heißen Gas stoßen die Atome aneinander. Im heißen Gas stoßen die Atome aneinander. Dabei verlieren sie einige ihrer Elektronen. (oder sie Dabei verlieren sie einige ihrer Elektronen. (oder sie

nehmen freie Elektronen auf)nehmen freie Elektronen auf)Dadurch erhält man elektrisch geladene AtomeDadurch erhält man elektrisch geladene AtomeDiese geladenen Atome nennt man Diese geladenen Atome nennt man positivepositive bzw. bzw. negative negative

IonenIonen

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3.1 Ionenquelle – Möglichkeit 2 - Stoßionisation3.1 Ionenquelle – Möglichkeit 2 - Stoßionisation

Die Methode, auf die ich mich im Folgenden Die Methode, auf die ich mich im Folgenden beziehen werde ist diese:beziehen werde ist diese:

Es werden schnelle Elektronen auf neutrale Atome Es werden schnelle Elektronen auf neutrale Atome geschossen.geschossen.

Dabei nehmen die Atome die Elektronen auf und Dabei nehmen die Atome die Elektronen auf und tragen nun die Ladung (e, 2e, 3e…)tragen nun die Ladung (e, 2e, 3e…)

Dadurch erhält man geladene Atome, die Dadurch erhält man geladene Atome, die allerdings unterschiedliche Geschwindigkeiten allerdings unterschiedliche Geschwindigkeiten und Richtungen aufweisen.und Richtungen aufweisen.

Diese geladenen Atome nennt man Diese geladenen Atome nennt man positivepositive bzw. bzw. negative Ionennegative Ionen

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3.2 Geschwindigkeitsfilter3.2 Geschwindigkeitsfilter

Da diese Ionen aber unterschiedliche Geschwindigkeiten Da diese Ionen aber unterschiedliche Geschwindigkeiten und Richtungen besitzen, werden sie nun durch einen und Richtungen besitzen, werden sie nun durch einen Geschwindigkeitsfilter geleitet.Geschwindigkeitsfilter geleitet.

In diesem Aufbau zeigt die elektrische Kraft auf positive In diesem Aufbau zeigt die elektrische Kraft auf positive Ionen nach links, die Lorentzkraft nach rechts, da das Ionen nach links, die Lorentzkraft nach rechts, da das B-Feld in die Zeichenebene hinein läuft.B-Feld in die Zeichenebene hinein läuft.

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3.2 Geschwindigkeitsfilter - Filtereffekt3.2 Geschwindigkeitsfilter - Filtereffekt

Nur Ionen, bei denen beide Kräfte (Lorentz und elektrische Kraft) Nur Ionen, bei denen beide Kräfte (Lorentz und elektrische Kraft) gleich stark sind, fliegen geradlinig durch den gleich stark sind, fliegen geradlinig durch den Geschwindigkeitsfilter.Geschwindigkeitsfilter.

Dadurch gilt:Dadurch gilt:FFLL= F= Fee und somit und somit q v B = q Eq v B = q E

Somit besitzen alle Ionen, die den Filter passieren die Somit besitzen alle Ionen, die den Filter passieren die Bedingung/Geschwindigkeit: Bedingung/Geschwindigkeit:

Treten nun Ionen, die zu „langsam“ für den Filter Treten nun Ionen, die zu „langsam“ für den Filter sind in diesen ein, dann ist die elektrische Kraft sind in diesen ein, dann ist die elektrische Kraft so stark, dass die Ionen zur linken Kondensatorplatte so stark, dass die Ionen zur linken Kondensatorplatte fliegen.fliegen.Sind Ionen zu „schnell“, überwiegt die Lorentzkraft und die Ionen fliegen zur Sind Ionen zu „schnell“, überwiegt die Lorentzkraft und die Ionen fliegen zur

rechten Kondensatorplatte.rechten Kondensatorplatte.

V = V = EEBB

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3.3 Ablenkfeld3.3 Ablenkfeld

Die Ionen, die nun alleDie Ionen, die nun alle

die gleiche Geschwindigkeit die gleiche Geschwindigkeit

besitzen, werde in ein weiteres Magnetfeld (B-Feld) geleitet.besitzen, werde in ein weiteres Magnetfeld (B-Feld) geleitet.

In diesem B-Feld werden die Ionen durch die Lorentzkraft auf In diesem B-Feld werden die Ionen durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gelenkt. eine Kreisbahn gelenkt.

(die Lorentzkraft ist hier die Zentripetalkraft)(die Lorentzkraft ist hier die Zentripetalkraft)

Hier gilt: FHier gilt: FLL = F = FZZ oder ausgeschrieben: oder ausgeschrieben: q v B =q v B =

Daraus ergibt sich: Daraus ergibt sich: mm = = q B rq B r

vv. .. .

m v²m v²rr... .. .

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 3.4 Massenspektrum / Detektor3.4 Massenspektrum / Detektor

Im Grunde ist der einfachste Detektor eine Im Grunde ist der einfachste Detektor eine Fotoplatte.Fotoplatte.

Hier wird die Fotoschicht an den Stellen Hier wird die Fotoschicht an den Stellen belichtet, wo Ionen auftreffen.belichtet, wo Ionen auftreffen.

Somit erhält man auf der Fotoplatte ein Somit erhält man auf der Fotoplatte ein Spektrum der IonenmassenSpektrum der Ionenmassen

Bei Anwendungen, bei denen es auf die Bei Anwendungen, bei denen es auf die Genauigkeit der Messergebnisse Genauigkeit der Messergebnisse ankommt, werden elektrische Detektoren ankommt, werden elektrische Detektoren verwendet.verwendet.

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 4. Auwertung4. Auwertung

Wie schon in Punkt 1 erwähnt ist die Wie schon in Punkt 1 erwähnt ist die Intensität Intensität dieser dieser Linien des Massenspektrums Linien des Massenspektrums proportionalproportional zu den zu den Häufigkeiten der Isotope eines Elements. Häufigkeiten der Isotope eines Elements.

Durch die Massenspektrometrie kann die Ionenladung Durch die Massenspektrometrie kann die Ionenladung qq nicht bestimmt werden und muss daher anderweitig nicht bestimmt werden und muss daher anderweitig ermittelt werden.ermittelt werden.

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 4. Auwertung4. Auwertung

Die Variablen Die Variablen BB und und rr können bei der können bei der Massenspektroskopie gemessen/eingestellt werden.Massenspektroskopie gemessen/eingestellt werden.

Eine der beiden Größen Eine der beiden Größen mm und und rr sind immer bekannt. sind immer bekannt. dadurch kann die gesuchte Größe immer bestimmt dadurch kann die gesuchte Größe immer bestimmt werden.werden.

Bei konstantem Bei konstantem vv besteht eine Proportionalität zwischen besteht eine Proportionalität zwischen der Masse der Masse mm und dem Radius und dem Radius rr der Ionenbahn. der Ionenbahn.

Die Masse Die Masse mm der Ionen kann im Idealfall von dem der Ionen kann im Idealfall von dem Spektrum der Fotoplatte abgelesen werden.Spektrum der Fotoplatte abgelesen werden.

mm = = q B rq B r

vv. .. .

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer 4.1 Herleitung4.1 Herleitung

Aus und

Ergibt sich:

Wobei UAB die Spannung Ionenquelle ist.

UAB=1/2*m*v²Auf v aufgelöst

Das MassenspektrometerDas Massenspektrometer QuellenangabenQuellenangaben

Dorn Bader – Physik 12/13 Dorn Bader – Physik 12/13

http://www.mpch-mainz.mpg.de/~geo/sjg/msblatt.htmlhttp://www.mpch-mainz.mpg.de/~geo/sjg/msblatt.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Massenspektrometerhttp://de.wikipedia.org/wiki/Massenspektrometer

http://de.wikipedia.org/wiki/Francis_William_Astonhttp://de.wikipedia.org/wiki/Francis_William_Aston

http://www.gymmelk.ac.at/~the/phklass/klasse8/quanten/boltzmk/Mspektr2.htm http://www.gymmelk.ac.at/~the/phklass/klasse8/quanten/boltzmk/Mspektr2.htm

http://www.wissen.de Suchbegriff: Massenspektrometriehttp://www.wissen.de Suchbegriff: Massenspektrometrie

GrafikenGrafiken

http://www.shimadzu.de/produkte/chromato/gcms/qp2010/qp2010.jpghttp://www.shimadzu.de/produkte/chromato/gcms/qp2010/qp2010.jpg

http://www.mpifr-bonn.mpg.de/public/angela/licht.jpghttp://www.mpifr-bonn.mpg.de/public/angela/licht.jpg