Massenspektrometer

Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zum Messen des Masse-Ladung-Verhältnisses m/q von Teilchen. Bei bekannter Ladung q kann daraus die Masse m der Teilchen ermittelt werden. Nachfolgende Abbildung gibt einen Überblick über den Aufbau eines Massenspektrometers:

Im ICP wird die zu untersuchende Substanz mit Elektronen beschossen. Daraufhin entstehen positiv geladene Ionen der Substanz. Da an die Lochelektrode eine Beschleunigungsspannung (UB) anliegt (sie ist nun negativ geladen), werden die Ionen von ihr angezogen und somit beschleunigt. Damit alle Ionen geradlinig in den Kondensator eintreten, wird dahinter noch eine Blende installiert. Die Geschwindigkeit der Ionen ergibt sich aus folgender Formel:

\[v=\sqrt{\frac{2U\cdot q}{M}}\] Im Kondensator, in dem neben dem elektrischen Feld gleichzeitig ein Magnetfeld herrscht, kommen nur die Ionen durch die letzte Blende, bei denen die Lorentz-Kraft gleich der elektrischen Kraft ist. Somit gilt für alle hinten austretenden Ionen:

\begin{align*} B\cdot q\cdot v&=E\cdot q\\ \Leftrightarrow v&=\frac{E}{B} \end{align*} Daher haben alle Teilchen, die aus der letzten Blende austreten, die gleiche Geschwindigkeit. Hinter der letzten Blende herrscht nur noch ein Magnetfeld, sodass die Ionen auf Grund der Lorentzkraft, die hier als Zentralkraft wirkt, nun einen Halbkreis mit dem Radius r beschreiben. Am Ende des Halbkreises treffen sie dann auf eine Fotoplatte oder einen anderen Detektor und man kann den Radius bestimmen. Mit seiner Hilfe errechnet man dann das Masse-Ladungsverhältnis: \begin{align*} F_L&=B\cdot q\cdot v\\ F_Z&=\frac{m\cdot v^2}{r}\\ \Rightarrow B\cdot q\cdot v&=\frac{m\cdot v^2}{r}\\ (\text{mit} \; v&=\frac{E}{B},\; \text{siehe oben})\\ \Rightarrow \frac{m}{q}&=\frac{B^2\cdot r}{E} \end{align*} Wenn man die Ladung des Ions kennt, kann man nun seine Masse bestimmen und daraus auf die Substanz schließen, die anfangs zur Untersuchung mit Elektronen beschossen wurde.