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Massenspektrometer


Physik

Basiswissen


Prinzip der Massenmessung von Molekülen oder Atomen: ein Massenspektrometer ist ein Gerät, mit dem man die Masse von Molekülen oder Atomen bestimmen kann. Hier wird kurz das Messprinzip erklärt.

Ionisierung


Der zu untersuchende Stoff wird zunächst in die Gasphase überführt. Dadurch liegen die einzelnen Moleküle oder Atome als frei im Raum umherfliegende Teilchen vor. Die Teilchen haben genauso viele Protonen in ihren Atomkernen wie sie Elektronen in den Hüllen haben. Die Teilchen sind deshalb noch elektrisch neutral. Nun werden sie ionisiert. Man kann zum Beispiel ein Elektron aus der Atomhülle entfernen. Dadurch hat das Teilchen jetzt ein Proton mehr als es Elektronen hat. Es ist jetzt elektrisch nicht mehr neutral. Elektrisch nicht mehr neutrale Teilchen heißen Ionen. Das entfernte oder hinzugefügte Elektronen im Vergleich zu den Atomkernen sehr wenig Masse haben, wiegen Ionen in etwa genauso viel wie die ursprünglichen elektrisch neutralen Teilchen.

Beschleunigung


Nun gibt man die Ionen in ein elektrisches Feld. In einem elektrischen Feld wirkt automatisch die Coulombkraft auf jedes geladene Teilchen. Man konstruiert den Apparat so, dass die Ionen dadurch in eine bestimmte Richtung beschleunigt werden. Sie verlassen den entsprechenden Teil der Apparatur dann als Strahl von schnellen Teilchen, die alle in dieselbe Richtung fliegen. Haben die Teilchen alle dieselbe Ladung, dann wurde in dem elektrischen Feld auf alle Teilchen dieselbe Beschleunigungsarbeit übertragen (weil sie dieselbe Spannung durchlaufen haben). Das bedeutet, dass alle Teilchen dieselbe kinetische Energie haben. Schwere Teilchen sind deshalb langsamer als leichte Teilchen.

Analysator


Im Analysator werden die Teilchen jetzt untersucht (analysiert). Dazu gibt es verschiedene Geräte, die auch verschiedene physikalische Prinzipien ausnutzen. So kann man zum Beispiel alle Teilchen durch einen bestimmen Raum fliegen lassen. Die leichten schnelleren Teilchen erreichen den Raum früher als die schweren. Aus der Messung der Flugzeit kann man über die durchflogene Strecke auf die Teilchengeschwindigkeit zurückrechnen. Aus der Teilchengeschwindigkeit kann man dann auf die Teilchenmasse zurückschließen. Ein anderes Prinzip nutzt aus, dass bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld abgelenkt werden. Das heißt die ursprünglich gerade Flugbahn nimmt eine bogenförmige Gestalt an. Mit Hilfe der Formel für die Lorentzkraft kann man wiederum auf die Masse der Teilchen zurückschließen.

Beispielwerte für Teilchenmassen