Isotope und relative Atommasse-Simulation

Über dieses Experiment

Mische Isotope eines Elements, berechne die mittlere Atommasse und leite die Ionen durch einen magnetischen Sektor. Unterscheide Änderungen der Häufigkeit von Änderungen der Masse, der Ionenladung und der Instrumentengeometrie.

Lernziele

Berechne eine nach Häufigkeit gewichtete mittlere Masse.
Setze das Masse-zu-Ladung-Verhältnis mit einem Massenspektrum in Beziehung.
Untersuche, wie Beschleunigungsspannung und Magnetfeld die Flugbahn eines Ions beeinflussen.

Anleitung

1Stelle das repräsentative Chlorgemisch ein und vergleiche seine mittlere Masse mit 35 und 37.
2Erhöhe den Anteil des leichteren Isotops auf eins und sage den verbleibenden Spektralpeak voraus.
3Lass die Ionen starten und vergleiche ihre Radien und Ankunftszeiten.
4Verdopple das Magnetfeld und prüfe, ob sich beide Radien halbieren, während die mittlere Atommasse konstant bleibt.

Das Modell

m ˉ = x m_{1} + (1 - x) m_{2}

Für den Mittelwert werden neutrale Isotopenmassen und vorgegebene Zahlenanteile verwendet.

\frac{1}{2} m v^{2} = q V, r = \frac{m v}{q B} = \frac{1}{B} \frac{2 mV}{q}

Alle Ionen werden durch dieselbe Potentialdifferenz beschleunigt.

t_{1/2} = \frac{π m}{q B}, d_{detector} = 2∣ r_{2} - r_{1} ∣

Der Detektor fängt das Ende einer halbkreisförmigen Bahn ab.

Annahmen

Die Massen und repräsentativen Häufigkeitswerte stammen vom NIST. Die natürlichen Isotopenhäufigkeiten können zwischen Proben variieren.
Die Ionen haben dieselbe ausgewählte positive ganzzahlige Ladung. Die Elektronenruhemassen werden abgezogen; Massenkorrekturen aufgrund der Ionisierungsbindungsenergie werden vernachlässigt.
Die Beschleunigung erfolgt unmittelbar bei der Injektion; das Magnetfeld ist homogen. Stöße, Strahlbreite und Detektorreaktion werden nicht berücksichtigt. Der angepasste Zeichnungsmaßstab ändert die in Millimetern abgelesenen Werte nicht.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Warum verändert eine Änderung der Häufigkeit die Peakhöhe, aber nicht die Peakposition?
Q2Warum unterscheidet sich die Isotopenmasse von ihrer ganzzahligen Massenzahl?

Häufig gestellte Fragen

Ist der gewichtete Mittelwert die Masse eines einzelnen Atoms?

In der Regel nicht. Es handelt sich um den nach Teilchenzahl gewichteten Mittelwert einer Population von Isotopen; ein einzelnes Atom hat eine bestimmte Isotopenmasse.

Lenkt eine höhere Ladung den Strahl stärker ab?

Bei fester Spannung und Masse ist der Radius umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Ladung. Das Ion verlässt den Beschleuniger außerdem schneller.