Physik-LK · Skript 3 · Elektrizitätslehre
Wien-Filter und Massenspektrograph
Im Wien-Filter steht ein Plattenkondensator in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zum elektrischen Feld und zur Flugrichtung verlaufen. Elektrische Kraft und Lorentzkraft wirken entgegengesetzt. Geradeaus fliegen genau die Ionen mit q E = q v B1, also v = EB1. Hinter der Blende laufen sie im Magnetfeld B2 des Massenspektrographen auf einem Halbkreis mit r = m vq B2 und treffen im Abstand 2r vom Spalt auf eine Fotoplatte: Ionen verschiedener Masse landen an verschiedenen Stellen.
So gehst du vor
- 1Wähle eine Ionensorte. Ohne Filter (U = 0, B1 = 0) kommen alle Ionen durch: Die Linie auf der Fotoplatte ist breit.
- 2Schalte den Filter ein: Plattenspannung U und Flussdichte B1 so wählen, dass Ionen geradeaus durch die Blende fliegen.
- 3Warte, bis sich auf der Fotoplatte scharfe Linien gebildet haben, und tippe „Fotoplatte ausmessen“.
- 4Übernimm Geschwindigkeit v = EB1 und Linienort in die Tabelle. Wiederhole mit anderen Filtergeschwindigkeiten.
- 5Werte aus: Aus der Steigung folgt die Masse der Ionen. Bestimme so die Masse von Probe X.
Treffer je Sekunde
0
Feldstärke im Filter
0 Vm
Ionensorte
Ionenquelle
Beschleunigungsspannung der Quelle UB
3,34 kVPlattenspannung U (Abstand 2,0 cm)
0,00 kVFlussdichte im Filter B1
0,000 TFlussdichte im Ablenkfeld B2
0,100 TE = Ud = 0 Vm, Filter ohne Magnetfeld. Die Quelle liefert Ionen, deren Energie um ±20 % um q · UB schwankt.
Jede Änderung legt eine neue Fotoplatte ein. Die Zeichnung zeigt nur einen Teil der Ionen, die Schwärzung entsteht aus allen.
Masse aus dem Linienort: 2r über v
Ionensorte und B2 während der Messreihe nicht ändern, nur die Filtergeschwindigkeit (und passend dazu UB). Aus 2r = 2 mq B2 · v folgt die Masse aus der Steigung.
| Nr. | Geschwindigkeit v in 105 ms | Linienort 2r in cm |
|---|
Aufträge
- Protonen, Werte wie in der Abituraufgabe im Skript: U = 5,0 kV, d = 2,0 cm, v0 = 8,0 · 105 ms. Berechne E und die nötige Flussdichte B1, stelle sie ein und prüfe, dass Protonen geradeaus durch die Blende fliegen.
- Schalte nur das elektrische Feld ein, dann nur das Magnetfeld. Beschreibe die Bahnen und begründe die Richtung der Kräfte.
- Wohin werden schnellere, wohin langsamere Ionen abgelenkt? Prüfe mit UB und begründe mit den Kräften.
- Fliegen He⁺- und He⁺⁺-Ionen mit 8,0 · 105 ms ebenfalls geradeaus durch den Filter? Sage es vorher und prüfe. Wo treffen sie auf die Fotoplatte?
- Neon mit Filter: Miss die Orte der Linien und bestimme das Massenverhältnis der Isotope. Welche Linie gehört zu welchem Isotop, und was verrät die Schwärzung?
- Neon wie in der Skriptaufgabe: Quelle mit einheitlicher Energie, UB = 1,0 kV, Filter aus, B2 = 0,20 T. Berechne den Abstand der Linien und prüfe. Warum braucht man hier keinen Geschwindigkeitsfilter? Was passiert, wenn man den Filter auf ²⁰Ne einstellt?
- Bestimme die Masse von Probe X mit einer Messreihe. Um welches Ion könnte es sich handeln? Löse erst danach auf.
Theorie: E-Lehre-Skript, Abschnitte „Gekreuzte Felder: der Wien-Filter“ und „Der Massenspektrograph“ im Kapitel „Bewegte Ladungen im Magnetfeld“.