Der massenspektrograph

Der Massenspektrograph half der Teilchenphysik hauptsächlich bei der Erforschung der Atomkerne. Zum einen konnten die Forscher mit seiner Hilfe präzise Messungen von Q/m (der relativen Teilchenmasse) durchführen, zum anderen ließen sich die Häufigkeitsverhältnisse von Teilchen mit verschiedenen Massen ermitteln. Die grundlegende Methode des Massenspektrographen ist, daß Strahlen geladener Teilchen gleichzeitig oder nacheinander gekreuzte elektrische und magnetische Felder durchlaufen. Das erste Gerät dieser Art wurde 1919 von F. W. Aston konstruiert, der drei Jahre später im Jahr 1922 einen Nobelpreis erhielt.

Die Funktionsweise war, einen Teilchenstrahl zuerst durch einen Geschwindigkeitsfilter, der aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld besteht, zu leiten, damit alle Teilchen, unabhängig von ihrer Ladung und ihrer Masse, die gleiche kinetische Energie haben. Für die Geschwindigkeit nach dem Durchlaufen dieses Filters gilt für die Geschwindigkeit der Teilchen Danach werden sie in einem zweiten magnetischen Feld abgelenkt. Diese Ablenkung ist auf die Lorentz-Kraft zurückzuführen. Dadurch ist eine direkte Bestimmung von Q/m möglich, weil Differenzen in den Bahnradien nur noch durch Unterschiede in der spezifischen Ladung (Q/m) verursacht werden. Durch spezielle Relationen zwischen den Feldstärken konnten Teilchen einer Masse in einem Punkt fokussiert werden. Allerdings war diese Methode noch nicht perfekt, da nur Teilchen einer Masse untersucht werden konnten.

Dieses Defizit wurde 1994 von Mattauch und Herzog behoben. Sie berechneten die Winkel und Abmessungen so, daß gleichzeitig alle Ionen gleicher Massen, unabhängig von Richtung und Geschwindigkeit, in einem Punkt fokussiert waren. Dazu durchlief der Teilchenstrahl zuerst ein elektrisches Radialfeld von 30°50’, in dem er nach Geschwindigkeiten aufgespalten wurde. Dann wurde er in einem Magnetfeld um 90° abgelenkt und somit nach Massen gebündelt. Die proportional zu Q/m, also entsteht bei gleicher Ladung ein Spektrum der Ionenmassen auf der Photoplatte.

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