Experimentalphysik III (Atomphysik)

2.2. Massenspektroskopie 23
Wasserstoff–Atoms, also A r = Z · A H (z.B. A r (O) ≈ 16). Andererseits fand man jedoch z.B. für
Chlor A r (Cl) = 35.5.
Mit der Entdeckung der Elementarladung ergab sich eine bessere Methode zur Massenbestimmung:
die Massenspektroskopie. Hierbei werden bewegte Ladungen in elektrischen und magnetischen
Feldern abgelenkt. Dieses Verfahren führte zur Entdeckung der Isotopie, diemitder
Entdeckung des Neutrons (Chadwick 1933) erst richtig erklärt werden konnte.
• Ältestes Verfahren: Parabelmethode (J.J. Thomson 1913)
+U 0
K
N
�v B� −
+
E�
Abb. 2.1: Parabelspektrograph, schematisch.
S
l
z
y
x
Dabei durchläuft ein Ionenstrahl aus einer
Gasentladung das elektrische Feld � E eines
Kondensators und das parallel dazu orientierte
Magnetfeld � B. Man erhält auf der
Beobachtungsebene für gleiche Teilchen
(gleiche Ladung und gleiche Masse) mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit v eine
Parabel, deren Ursprung im Durchstoßpunkt
des unabgelenkten Strahles
liegt. Dies ergibt sich aus folgender einfacher
Rechnung:
Das in y–Richtung angelegte � E–Feld erzeugt eine Ablenkung in diese Richtung.
F y = q · E ⇒ a y = F y
m
q
1
= E ⇒ y =
m 2 ayt2 ≈ qE
2m
l2 1
∼ .
v2 Ekin Das in y–Richtung angelegte � B–Feld bewirkt eine Ablenkung in x–Richtung. Solange das
Teilchen sich im � B–Feld befindet, wird es auf eine kreisförmige Bahn gezwungen, deren
Ebene senkrecht zur Feldrichtung (y–Achse) liegt.
F x = q · v · B ⇒ a x = F x
m
q
1
= vB ⇒ x =
m 2 axt2 ≈ qvB l
2m
2 1
∼
v2 p .
Die Ablenkung in x–Richtung ist umgekehrt proportional zum Impuls p, man nennt den
ablenkenden Magneten deshalb Impulsfilter. Aus den Ausdrücken für x und y läßt sich v
eliminieren, und es ergibt sich:
y = 2mE
q(B · l) 2 x2 =
2E
(B · l) 2 q x
m
2 .
Alle Punkte mit gleichen q
m liegen also auf einer Parabel. Die Parabelpunkte entsprechen
unterschiedlichen Geschwindigkeiten v.
• Geschwindigkeitsfokussierung (Aston 1918)