Neuere Ergebnisse der Entwicklung und Anwendung ... - FAN GmbH

scher Verbindungen unter Anwendung mehr oder weniger abgewandelter synthetischer bzw.
biosynthetischer Methoden.
Ebenso wie die Trennung der Isotope eines chemischen Elements beruht auch ihre Analyse,
also die Ermittlung ihrer Mengenanteile an dem jeweiligen Element, auf den (oft nur geringfügigen)
Unterschieden in einigen ihrer physikalischen Eigenschaften.
Die verbreitetste, auf die Isotope aller Elemente des Periodensystems anwendbare und
zugleich älteste Methode der Isotopenanalyse ist die Massenspektrometrie, welche die Abhängigkeit
der Ablenkung elektrisch geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen
Feldern ausnutzt. Dabei wird die der Isotopenanalyse zu unterwerfende Substanz in einer sogenannten
Ionenquelle ionisiert (Abb. 1). Bei Gasen und Dämpfen geschieht dies in der Regel
durch Beschuß mit schnellen Elektronen, die ihrerseits ein oder (seltener) mehrere Elektronen
aus den Molekülen oder Atomen der zu analysierenden Substanz herausschlagen und so zur
Bildung positiv geladener Molekül- bzw. Atomionen Anlaß geben. Die letzteren werden mit
Hilfe der Beschleunigungsspannung U aus der Ionenquelle gesaugt und beschleunigt und einem
Magnetfeld bzw. einer Kombination elektrischer und magnetischer Felder zugeführt. Im
Magnetfeld beschreiben die Ionen Kreisbahnen, deren Radius r von dem Verhältnis Ladungszahl
z zu Masse m abhängt entsprechend der Gleichung:
worin B die Magnetfeldstärke ist.
r =
1 B 2m
Die leichten Ionen werden also (bei gleicher Ladung) stärker abgelenkt als die schwereren
und können voneinander getrennt aufgefangen und gemessen werden.
Wenn die der Isotopenanalyse zu unterwerfende chemische Verbindung Bestandteil eines
Gemischs mit anderen Stoffen ist, werden Massenspektrometer oft mit einem Gaschromatographen
gekoppelt, der die zu analysierende Verbindung bzw. die zu analysierenden Verbindungen
aus dem Gemisch abtrennt, bevor sie der Ionenquelle zugeführt werden. Diese
Methode wird Gaschromatographie–Massenspektrometrie (GC–MS) genannt.
Außer der Massenspektrometrie wird auch die optische Spektroskopie zur Analyse stabiler
Isotope herangezogen. Die Frequenz einer Linie oder Bande im optischen Spektrum eines
Atoms oder Moleküls hängt nämlich nicht nur von der Struktur seiner Elektronenhülle, sondern
(in geringem Maße) auch von der Masse der Atomkerne ab. (Bei Spektrallinien, die
durch Änderungen des Schwingungszustands der Atome im Molekül oder des
Rotationszustands des Moleküls zustande kommen, ist dieser Einfluß evident; bei
Spektrallinien, die durch Elektronenübergänge hervorgerufen werden, nimmt die Kernmasse
dadurch Einfluß auf die Frequenz, daß — im Bilde der klassischen Physik gesprochen —
Elektron und Atomkern um ihren gemeinsamen Schwerpunkt kreisen.)
Gewöhnlich sind optische Spektrographen mit einem Interferometer, einem Prisma oder
einem Gitter ausgestattet, das die elektromagnetische Strahlung nach Maßgabe ihrer Frequenz
bzw. Wellenlänge in ihre spektralen Bestandteile zerlegt.
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