Bewegte Ladungen in Feldern

Francis William ASTON wurde 1877 in Birmingham geboren und starb 1945 in Cambridge, England. Er untersuchte mit dem von ihm entwickelten und verbesserten Massenspektrograph die chemischen Elemente auf Isotopie, fand 212 noch nicht bekannte Isotope und bekam unter anderem dafür 1922 den Nobelpreis für Chemie. Mehr Details finden Sie unter www.nobel.se

Der Massenspektrograph von ASTON besteht aus einem elektrischen Querfeld, in das Ionen mit gleicher Ladung eingeschossen werden. Dort durchlaufen sie Parabelbahnen, die von Masse, Richtung und Geschwindigkeit der Ionen abhängen. Die Ablenkung im elektrischen Feld ist umso kleiner, je größer die kinetische Energie der Ionen ist. Anschließend werden die Teilchen in ein homogenes magnetisches Querfeld gelenkt, das senkrecht auf dem elektrischen Feld und der Flugrichtung steht. In diesem werden sie auf Kreisbahnen abgelenkt, deren Krümmung entgegengesetzt der Krümmung der Parabelbahnen im elektrischen Feld ist. Der Krümmungsradius im Magnetfeld ist umso kleiner, je kleiner der Impuls der Ionen ist. Da Impuls und kinetische Energie der Teilchen in verschiedener Weise von v und m abhängen, lässt sich die Geometrie der Felder so einrichten, dass Teilchen mit gleicher spezifischer Ladung aber mit leicht verschiedener Richtung und verschiedener Geschwindigkeit am gleichen Ort der Nachweisebene auftreffen.

Optisches Analogon zur Versuchsanordnung von Aston:

Zusammenfassung

• Ionen mit gleicher Ladung und Masse (d.h. gleicher spezifischer Ladung) aber verschiedener Anfangsgeschwindigkeit werden in einen Punkt fokussiert (Geschwindigkeitsfokussierung).
• Ionen mit gleicher Ladung und Masse (d.h. gleicher spezifischer Ladung) aber leicht verschiedener Anfangsrichtung werden in einen Punkt fokussiert (Richtungsfokussierung).

Würden die Fokussierungen nicht gelingen, so müsste man den zu untersuchenden Teilchenstrahl zunächst dahingehend bearbeiten, dass nur Teilchen gleicher Geschwindigkeit (Geschwindigkeitsfilter vorschalten) und gleicher Richtung (Blenden einbringen) vorkommen. Dies würde aber die Intensität des Teilchenstrahls und damit die Nachweiswahrscheinlich erheblich reduzieren.

In diesem Applet von Peter Kraus kann man mit den Schiebern folgendes festlegen: Stärke des elektrischen Feldes (E) Stärke des Magnetfeldes (B) Massendifferenz zweier Teilchen Geschwindigkeitsintervall der Teilchen Man sieht dann die Bahnen einer Teilchensorte in einer Farbe und einer zweiten oder dritten Teilchensorte in anderer Farbe.