Massaspektrometri

Wikipedia

Massaspektrometri eli massaspektrografi on laite, jota käytetään ionien ominaisvarauksien ja molekyylien massojen tutkimisessa sekä fysikaalisessa tutkimuksessa. Ionilähteestä tulevat hiukkaset kiihdytetään sähkökentässä ja johdetaan homogeenisen magneettikentän läpi, jolloin ionisuihku kaartuu ja massaltaan erisuuruiset hiukkaset kyetään erottamaan.

[muokkaa] Toiminta

Jotta atomeita pystyttäisiin tutkimaan massaspektrometrissä, ne täytyy ionisoida, koska sähkö- ja magneettikenttä vaikuttavat vain varautuneisiin hiukkasiin.

Ionilähteessä aikaansaatu ionisuihku kiihdytetään sähkökentän avulla. Ioneja kiihdytetään jännitteellä U. Ne saavat nopeuden v, kun sähkökentän tekemä työ muuttuu hiukkasten liike-energiaksi:

$QU=\frac{1}{2}mv^2$ , josta $v=\sqrt{2QU \over m}$

Nopeus riippuu sekä massasta m että varauksesta Q.

Jotta ionien nopeus olisi haluttu, käytetään tämän jälkeen nopeudenvalitsinta, johon ne tulevat kohtisuoraan sähkö- ja magneettikenttää vastaan. Varattuun hiukkaseen vaikuttaa sähkömagneettisessa kentässä Lorentzin voima. Sähkökenttä kohdistaa varattuun hiukkaseen voiman $F E = Q E$ ja magneettikenttä vastakkaissuuntaisen voiman $F B = Q v B$ .

Voimien kumotessa toisensa saadaan:

$QE-QvB=0\quad$ , josta $v=\frac{E}{B}$

Tämän ehdon täyttämät hiukkaset jatkavat matkaa suoraan.

Tämän jälkeen ionit ohjataan alueeseen, jossa on pelkästään homogeeninen magneettikenttä. Ionit saapuvat kohtisuorasti kenttää vastaan. Tällöin liikeyhtälö on

$m\frac{v^2}{r}=QvB$

Ionit kulkevat puoliympyrän muotoiset ratansa, joiden säde on

$r=\frac{mv}{QB}$

Radan säteen suuruus riippuu ionin massasta m, sen nopeudesta v, varauksesta Q ja magneettikentän magneettivuon tiheydestä B. Nopeuden ja magneettivuon tiheyden ollessa luonnollisesti samat jokaisessa tapauksessa radan säde riippuu ionin massasta ja varauksesta. Lopulta ionit osuvat esimerkiksi filmille tai tietokoneeseen kytkettyihin ilmaisimiin. Kun massaspektrografiin tuodaan esimerkiksi saman alkuaineen samanvarauksisia isotooppeja, ne pystytään erottamaan toisistaan, koska niillä on eri massat. Massaspektrometrillä voidaan määrittää myös alkuaineen eri isotooppien esiintymisrunsautta.