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Allgemeines und Prinzip
Die Massenspektrometrie entwickelte sich im 19. Jahrhundert, als J.J. Thomson das
Ladung/Masse-Verhältnis von Kathodenstrahlen in Vakuumröhren gemessen hat.
Thomson baute 1913 das erste Massenspektrometer und demonstrierte damit die
Existenz von Isotopen.
Massenspektrometrie ist nicht nur ein Werkzeug zum Verstehen von chemischen und
physikalischen Prozessen, es ist auch eine Methode der chemischen und physikalischen
Analyse. Persönlichkeiten wie Aston, der die erste geschwindigkeitsabhängige
Fokussiereinrichtung im Jahre 1919 entwickelt hatte haben die Geschichte dieser
Entwicklungen mitgeprägt.
Aber erst in den 50er Jahren setzte eine weite Verbreitung der Massenspektrometrie ein,
als man erkannte, daß die Massenspektrometrie sich zur Strukturaufkärung organischer
und anorganischer Stoffe eignet.
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Das Prinzip der Massenspektrometrie besteht darin, daß die zu untersuchende Substanz
in den gasförmigen Aggregatzustand übergeführt wird und unter einem Druck p von
circa 10-4 Pa vorliegt. Anschließend wird das Gas mit Elektronen beschossen. Hierbei
entstehen primär einfach positiv geladene Ionen:
- + - + .. . + e M e M 2
Diese Molekülionen werden durch ein elektrisches Feld mit Spannung U beschleunigt.
In einemMagnetfeld werden die Ionen gemäß der Lorentzkraft FL abgelenkt:
B v Q FLorentz ｷ ｷ = ; Q: Ladung des Ions in Coulomb; B: Magnetische Flußdichte in
Tesla;
Da es sich hier meist um einfach geladene Ionen handelt ist die Ladung Q gleich der
Elementarladung e.
Also:
( ) 1 B v e FLorentz ｷ ｷ =
Die Geschwindigkeit v läßt sich aus der Beschleunigungsenergie im elektrischen Feld
berechnen. Für die Berechnung geht man davon aus, daß die Anfangsgeschwindigkeit
des Ions v0 = 0 m/s ist. Die kinetische Energie des Ions ist demnach gleich der Energie
des elektrischen Feldes:
Feld kin E E =
U Q v m ｷ = 2
2
1
beziehungsweise U e v m ｷ = 2
2
1
Daraus folgt: ( ) 2 2
2
U
m
e
m
U e
v = ｷ ｷ =
Gleichung (2) in (1) eingesetzt ergibt:
B m U
m
e
FLorentz ｷ ｷ = 2
Den Radius r der Bahn, auf die die Ionen gezwungen werden, läßt sich über die
Zentripetalkraft FZ berechnen:
r
v m
FZ
2
=
Wenn sich das Ion auf einer Kreisbahnn bewegt, dann muß der Betrag der
Zentripetalkraft gleich dem der Lorentzkraft sein:
Z Lorentz F F =
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r
v m
B v e
2
=
Nach r aufgelöst ergibt sich:
( ) 3
B
m
e
v
r
ｷ
=
Gleichung (2) ergibt in (3) eingesetzt:
B
m
e
U
m
e
r
2
= also:
B
m
e
U
r
1 2 ｷ ｷ =
Die Lorentzkraft und damit die Stärke der Ablenkung, der Bahnradius, der Ionen im
Magnetfeld ist demnach abhängig von der spezifischen Ladung
m
e
des Ions.
Die Ionen werden nach dem Magnetfeld , zum Beispiel mittels Photoplatte, registriert.
Anmerkung: Da die Masse eines Teilchens nach der Relativitätstheorie abhängig ist von
der Geschwindigkeit, muß ab großen Beschleuinigungsspannungen relativistisch gerechnet
werden., das heißt wenn die errechnete Geschwindigkeit v größer als 10% der
Lichtgeschwindigkeitist, also wenn v= 3,0.106m.s-1.
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