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Ausblick: Wien-Filter, Massenspektrometer und Zyklotron
Mit einem Massenspektrometer (Massenspektroskop, Massenspektrograph) wird häufig die kombinierte Wirkung von elektrischen und magnetischen Feldern auf Ladungsträger genutzt, um Aussagen über ihre Eigenschaften zu erfahren.
Sie werden im Internet sehr viele Beschreibungen der Wirkungsweise dieser Geräte finden, zudem gibt es auch viele Animationen bzw. Simulationen (z. B. auf dieser Seite) der in diesen Geräten ablaufenden Vorgänge.
Die nebenstehende Abbildung zeigt das Prinzip eines der ersten funktionsfähigen Massen-spektrometer (Bleakney).
Beschreiben Sie die Funktionsweise.
Gehen Sie u. a. dabei ein auf die Beschleunigungsspannung, auf das Magnetfeld, auf die Halbkreisbahn und darauf, welche Größe der zu untersuchenden Objekte mit dieser Anordnung letztlich bestimmt wird.
Mit einem Zyklotron gelingt es, geladene Teilchen auf beschränktem Raum auf gewünschte (hohe) Endgeschwindigkeiten zu beschleunigen, damit sie danach beispielsweise in Experimenten zur Verfügung stehen. Erkundigen Sie sich im Internet über seinen Aufbau und seine Funktionsweise, wie etwa anhand dieses Videos (das offensichtlich im Rahmen einer schulischen Facharbeit entstanden ist). Es gibt zudem einige interaktive Simulationsprogramme, wie Sie eines exemplarisch an dieser Stelle finden.
Schauen Sie sich das genannte Video an.
Ab Minute (03:00) erläutert der Autor des Videos die sog. Zyklotronfrequenz und begründet deren Konstanz ab (03:20) - aber nur rein qualitativ.
Geben Sie eine quantitative Begründung für die Richtigkeit seiner Aussagen, indem Sie herleiten, dass die Kreisfrequenz $\omega$ bzw. Frequenz f der Wechselspannung konstant gehalten werden kann: $\omega =2\pi \cdot f=\frac{q}{m}\cdot B$ .
"Experimentieren" Sie auch mit dem Simulationsprogramm.
Schauen Sie sich das genannte Video an.
Ersetzen Sie die an mindestens zwei Stellen zu findenden eher umgangssprachlichen Formulierungen des Autors durch eine angemessene Fachsprache.
Bei einem sog. Wien-Filter handelt es sich um eine sehr häufig verwendete Anordnung, mit der sich aus einem Strahl bewegter elektrisch geladener Teilchen genau diejenigen ausfiltern lassen, die eine ganz bestimmte Geschwindigkeit besitzen. Dazu werden gekreuzte elektrische und magnetische Felder verwendet.
Informieren Sie sich über den Aufbau des Wien-Filters und seiner Funktionsweise. Leiten Sie insbesondere die Gleichung $v=\frac{E}{B}$ für die Geschwindigkeit $v$ der heraus zu filternden Teilchen her.
Unter dieser Internetadresse erreichen Sie ein Programm, mit dem Sie sich die 3D-Bahnen eines positiv geladenen Ladungsträgers in einem elektrischen Feld sowie ggf. überlagerten magnetischen Feld berechnen und grafisch darstellen lassen können. Sie können dabei den Anfangsort des Ladungsträgers, seine Anfangsgeschwindigkeit sowie das elektrische und magnetische Feld (fast) beliebig in Richtung und Stärke einstellen.
Versuchen Sie, als Bahnkurven eine Kreisbahn in der x-y-Ebene und eine Schraubenlinienbahn zu erzeugen.
Experimentieren Sie darüberhinaus mit eigenen Ideen, wobei Sie immer überlegen und begründet vorhersagen sollten, welche Bahnkurven Sie nach dem Einstellen der Parameter erwarten.
Empfehlung: Variieren Sie anfangs immer nur einen Parameter gleichzeitig.