Die Funktionsweise von Massenspektograph und Teilchenbeschleuniger

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Was ist ein Massenspektograph?
2.1 Die Geschichte des Massenspektographen
2.2 Der Aufbau eines Massenspektographen
2.2.1 Die Ionenquelle
2.2.2 Der Analysator
2.2.3 Der Detektor
2.3 Funktionsweise eines Massenspektographen
2.4 Anwendungsgebiete eines Massenspektopraphen
2.4.1 Anwendungsgebiete in der Chemie
2.4.2 Anwendungsgebiete in der Klimatologie
2.4.3 Anwendungsgebiete in der Archäologie

3. Was ist ein Teilchenbeschleuniger?
3.1 Arten von Teilchenbeschleunigern
3.1.1 Der Linearbeschleuniger
3.1.2 Das Zyklotron
3.1.3 Das Synchrotron
3.2 Der Teilchenbeschleuniger Cern bei Genf - ein Großversuch
3.3 Die neusten Erkenntnisse durch Teilchenbeschleuniger

4... Fazit

5. Anhang

6. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Die Geschichte der Wissenschaft Physik reicht bis in die griechische Antike zurück. Die Menschen haben schon immer Erkenntnisse und Erfahrungen gesammelt, besonders aus der Natur. Vor allem im Frühkapitalismus waren Handwerker und das Bürgertum an der Entwicklung und den praktischen Erkenntnissen der Physik interessiert. Zu einer gravierenden Weiterentwicklung der Physik kam es im 16. Jahrhundert durch bedeutende Wissenschaftler wie zum Beispiel Galileo Galilei.

Er versuchte der Mathematik als auch dem Experiment einen Stellenwert in der Physik einzuräumen, denn mit Hilfe der Mathematik konnten Physikalische Gesetze erfasst werden.

Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen sowie der radioaktiven Strahlung durch Henri Berquerel sowie Marie Curie und Pierre Curie wurden zwei neue Strahlungsarten bekannt, deren Ursache im atomaren Bereich lag. Von da an führte ein direkter Weg zur Entwicklung der ersten Theorien über den Aufbau der kleinsten Teilchen, der Materie.

Es wurden zunehmend physikalische Gesetze in der Atom-, Kern- und Quantenphysik entdeckt und vor allem seit Albert Einstein haben unsere Erkenntnisse über die Materie, Raum und Zeit riesige Schritte gemacht. So kann zum Beispiel die Masse von winzig kleinen geladenen Teilchen mit Hilfe eines Massenspektographen berechnet werden. Durch massenspektografische Versuche fand man zum Beispiel heraus, dass fast alle Elemente aus verschiedenen Isotopen bestehen.

Mit hochentwickelten Teilchenbeschleunigern forschen die Wissenschaftler weiter, dabei stoßen sie immer wieder auf neue Erkenntnisse in der Atom-, Kern- und Quantenphysik. „Trotzdem habe man das Gefühl, wir wissen immer weniger, je mehr wir dazulernen.“ (Günther Hasinger, deutscher Astrophysiker)

Ich möchte in meinen Ausführungen aufzeigen, was für großartige Erfindungen Massenspektographen und Teilchenbeschleuniger sind und wie sie uns helfen, die Materie und das Universums besser zu verstehen. Sie sind uns dabei behilflich, weitere Erkenntnisse in der Forschung zu erlangen, denn seit ihrer Erfindung wurden viele Geheimnisse der Natur aufgedeckt und es werden noch viele Folgen.

2. Was ist ein Massenspektograph?

Als Massenspektrometrie werden Verfahren zum Messen der Masse von Atomen und Molekülen bezeichnet. Demnach ist der Massenspektopraph ein Gerät zur Massenbestimmung von Atomen und Molekülen. Außerdem findet durch ihn die Registrierung der Massenspektren von Teilchengemischen und Isotopen eines Elements statt. Um dies zu ermöglichen greift man auf den Gebrauch von elektrischen und magnetischen Feldern zurück. Dabei wird die Impulsselektivität von Magnetfeldern, sowie die Energieselektivität von elektrischen Feldern ausgenutzt. Man spricht in diesem Falle vom Masspenspektographen oder von einem Massenspektrometer, dabei gibt es zwischen diesen aber keinen nennenswerten Unterschied.

2.1 Die Geschichte des Massenspektographen

Im frühen 19. Jahrhundert stellte der britische Chemiker William Prout die erste Hypothese zur Massenspektrometrie auf. Diese besagt, dass es eine Eigenschaft des Atoms ist, eine bestimmte Masse zu haben. Diese Behauptung stellte er auf, nachdem er mehrere Beobachtungen an Atomen bezüglich der Masse vollzog. Um 1858 beobachtete Julius Plücker den Einfluss von magnetischen Feldern auf das Leuchten von Entladungsröhren. Im Jahr 1897 führte Joseph John Thomson Experimente durch, in denen er in Elektronenröhren Elektrostrahlen von verschiedenen Kathodenmetallen mit elektromagnetischen Feldern ablenkte. Dadurch leitete es Gleichungen zum Zusammenhang zwischen Masse, Geschwindigkeit und Bahnradius ab. Francis William Aston, ein Schüler von Joseph John Thomson, baute und entwickelte 1919 den ersten funktionierenden Massenspektographen mit gekreuztem elektrischem und Magnetischem Feld. Damit gelang es ihm, Isotope von Chlor und anderen Atomen zu beobachten. 1922 wurde dieser mit dem Nobelpreis für seine Untersuchungen an Isotopen geehrt. 1918 wurde der erste Moderne Massenspektograph entworfen und gebaut, dieser arbeitete 100­fach genauer, als alle bisher entworfenen Modelle. Dieser dient sogar heute noch als Vorlage für das Design heutiger Massenspektrographen.

2.2 Der Aufbau eines Massenspektographen

Grob gesagt, besteht ein Massenspektograph aus drei Hauptbauteilen, der Ionenquelle, einem Detektor und einem Analysator. Jedes dieser Bauteile existiert in unterschiedlichen Varianten und Bauformen. (siehe Anhang Bild 1)

2.2.1 Die Ionenquelle

In der Ionenquelle wird der zu analysierende Stoff ionisiert. Dabei wird einem Atom ein Elektron entnommen, so dass das Atom als positiv geladenes Ion zurückbleibt. Dieser Vorgang kann mit verschiedenen Methoden erfolgen, dies ist vor allem abhängig von den Eigenschaften der zu analysierenden Teilchen. Die Ionen können auf unterschiedlichste Weise erzeugt werden. Häufig geschieht dies durch die Stoßionisation oder der Chemischen Ionisation. Bei der Stoßionisation werden die Elektronen der Atome durch künstlich beschleunigte Elektronen „herausgeschlagen“. Bei der Chemischen Ionisation hingegen wird dem Atom mit einem Elektronenstrahl Energie hinzugefügt, bis bei diesem Ionen erzeugt werden. Andere Verfahrensweisen der Ionisation sind zum Beispiel die Photonenionisation, die Matrix unterstütze Laser-Ionisation und das so genannte Fast Atom Bombardement.

2.2.2 Der Analysator

Im Analysator werden die aus der Ionenquelle gewonnenen Ionen nach dem Masse-zu- Ladungs-Verhältnis getrennt. Dies kann erneut auf unterschiedlichste Weise geschehen, wie zum Beispiel im Sektorfeld-Massenspektographen oder im Flugzeitenmassenspektroprahpen. Hierbei werden die jeweiligen Massenspektographen nach den Merkmalen der Analysatoren eingeordnet.

2.2.3 Der Detektor

Im Detektor werden die zuvor voneinander getrennten Ionen erfasst. Zur Erfassung der Ionen können Faraday-Auffänger oder Daly-Detektoren zum Einsatz kommen. Dabei gibt es drei Möglichkeiten, die Ionen zu erfassen.

Die Ionen fliegen in ihrem Ablenkradius auf eine Photoplatte und schwärzen diese ein. Nun kann an die Häufigkeit der Ionen anhand des Schwärzegrades ermittelt werden.

Im Faradayschen-Auffänger wird das Massenspektrum der Ionen sehr genau registriert. Um dies zu ermöglichen, wird in den Faradayschen-Aufhängern, auch Faraday-Töpfe genannt, die Bewegungsenergie der Ionen in elektrische Energie umgewandelt. Nun kann die Frequenz der Ionen anhand der resultierenden Stromstärke berechnet werden, da diese proportional zur Häufigkeit der Ionen ist.

2.3 Funktionsweise eines Massenspektographen

Der Massenspektrograph (siehe Anhang Bild 2) kommt zum Einsatz, da man gerne die Masse von bestimmten Teilchen erfahren will. Um dies zu ermöglichen, treten aus einer Ionenquelle geladene Ionen in Form eines Ionenstrahls aus, diese besitzen Anfangs noch unterschiedliche Geschwindigkeiten. Anschließend tritt dieser in ein durch einen Kondensator erzeugtes elektrischen Feld ein, welches wiederum durch ein Magnetisches Feld durchsetzt ist.. Hierbei werden die positiv geladenen Ionen durch die Kraft (F=Q*E) des elektrischem Feld nach unten abgelenkt und durch die Kraft (F=Q*v*B) vom magnetischem Feld nach oben abgelenkt. Wenn es gelingt, dass sich die beiden Kräfte ausgleichen, durchsetzt der Ionenstrahl die senkrecht aufeinander stehenden Felder und durchfliegt einen gegenüberliegenden Austrittsspalt. Die beiden Felder dienen als Geschwindigkeitsfilter. Allen Teilchen, denen es gelingt den Austrittsspalt zu verlassen, haben die gleiche Geschwindigkeit. Treten diese Teilchen nun in ein zweites magnetisches Feld ein, so sind die Unterschiede im Bahnradius nur noch durch Unterschiede in der Ladung der Teilchen zu erklären und nicht durch ihre Geschwindigkeitsdifferenzen. Wenn diese Ionen aber alle die gleiche Ladung besitzen, können Abweichungen des Bahnradius nur durch verschiedene Massen der Ionen hervorgehen. Die spezifische Ladung der Teilchen lässt sich nun durch gegebene Faktoren bestimmen. Wenn man den Radius der Teilchenbahn gemessen hat und die Ladung und Geschwindigkeit des Teilchen kennt, sowie die magnetische Flussdichte des Feldes, so kann man die Ionenmasse berechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dadurch konnte vor allem festgestellt werden, dass fast Elemente aus verschiedenen Isotopen bestehen.

2.4 Anwendungsgebiete eines Massenspektopraphen

Die Massenspektrometrie dient vor allem als Analyseverfahren chemischer Elemente in der Chemie. Unter anderem werden sie in der Biologie, der Archäologie und in der Klimatologie angewendet, um Materialien analysieren zu können. Wenn es um die Ermittlung der Massen von Teilchen und Atomen geht, werden Massenspektographen vor allem in der Teilchenphysik verwendet. Außerdem werden durch ihn noch unbekannte Teilchen detektiert.

2.4.1 Anwendungsgebiete in der Chemie

In der Chemie wird das Verfahren der Massenspektrometrie vor allem angewandt, um die Struktur und Zusammensetzung von Verbindungen und Gemischen aufzuklären. Vor allem wird das Verfahren der Massenspektrometrie in der analytischen Chemie angewandt. Er wird eingesetzt, um die molare Masse von Stoffverbindungen sowie die Summenformel von Molekülen zu bestimmen. Die Bedeutung der Massenspektrometrie in der analytischen Chemie ist damit eine wesentlich größere, als wie die in der Physik, denn diese stellt lediglich das Wissen und die Grundlagen für unser Vorhaben bereit.

2.4.2 Anwendungsgebiete in der Klimatologie

In der Klimatologie dient der Massenspektograph vor allem dazu, bestimmte Isotope in Stoffen zu ermitteln, um Rückschlüsse auf das Klima in der Vergangenheit zu gewinnen. Die Häufigkeit bestimmter Isotope in Sedimentschichten weist auf diese Vergangenheit unseres Klimas hin. Ein gutes Beispiel dafür ist das in Wasser vorkommende Isotop 016 welches dazu führt, das Wasser leichter verdampft, als solches, das das Isotop O18 enthält.

2.4.3 Anwendungsgebiete in der Archäologie

In der Archäologie werden mit Hilfe des Massenspektographen Isotopenverhältnisse von Elementen untersucht, wodurch Rückschlüsse auf Menschen der vergangenen Jahrtausende gemacht werden können. Dazu werden Knochenfundstücke auf diese Verhältnisse untersucht. Ein Beispiel dafür ist das Verhältnis von C14 zu C12 , welches Rückschlüsse auf die Zeit der pflanzlichen Bildung zulässt.

3. Was ist ein Teilchenbeschleuniger?

In den letzten Jahrzehnten wurden immer mehr Erkenntnisse über die Materie und ihre Struktur mithilfe von Teilchenbeschleunigern gewonnen. Aber was ist eigentlich ein Teilchenbeschleuniger?

Ein Teilchenbeschleuniger ist wie der Name sagt, ein Gerät, welches dazu dient, Teilchen zu beschleunigen. Es ist eine schwierige Frage in der Physik, was eigentlich ein Teilchen sei. Diese Frage soll uns aber jetzt keineswegs beschäftigen. Um Teilchen beschleunigen zu können, muss auf sie irgendeine Kraft ausgeübt werden. Hierbei nutzt man die die Kraft der elektrischen Felder und ihre Wirkung auf geladene Teilchen, um diese auf große Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Um dies zu ermöglichen muss im Innenraum des

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