Modellexperiment zum Massenspektrographen

Die Atommasse spielt bei der Behandlung der chemischen Grundgesetze im Anfangsunterricht eine wesentliche Rolle.

Wissenschaftlich wird diese Größe mit Hilfe eines Massenspektrographen bestimmt, der erstmals vom englischen Physiker Francis William Aston im Jahre 1919 entwickelt werden konnte und nach dessen Prinzip auch die heutigen Geräte noch funktionieren.

Bei diesem Verfahren wird die zu untersuchende Probe zunächst verdampft, anschließend werden die freien kleinsten Teilchen ionisiert, um danach durch Anlegen einer äußeren Spannung stark beschleunigt zu werden. Die Ionen haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen verschieden große Geschwindigkeiten und gelangen so zunächst in ein elektrisches und anschließend in ein dazu senkrecht stehendes magnetisches Ablenkungsfeld. Die schnelleren Teilchen werden weniger abgelenkt als die langsamen und so treffen alle Teilchen gleicher Masse auf einen Punkt einer Fotoplatte, die als Detektor dient.

Werden Proben mit kleinsten Teilchen unterschiedlicher Massen untersucht, zeigt die Fotoplatte ein Punktmuster, das sogenannte Massenspektrum. Aus der Ablenkung, die die kleinsten Teilchen erfahren, kann die Atommasse mit heutigen Geräten bis auf ein Zehntausendstel der atomaren Masseneinheit unit bestimmt werden.

Diese kurze Beschreibung des Aufbauprinzips eines Massenspektrographen zeigt bereits, dass dieser Zusammenhang Schülerinnen und Schülern im Anfangsunterricht des Faches Chemie nicht vermittelt werden kann.

Die Lösung des Problems kann nur ein Modellexperiment sein.

Vor dem Einsatz des Versuchsgerätes muss zunächst die Arbeits­hypothese im Unterricht erarbeitet werden, dass kleinste Teilchen verschiedener Stoffe und Atome unterschiedlicher Elemente verschiedene Massen besitzen.

Als weitere Vorüberlegung kann die Fragestellung dienen, wie ein Gemisch aus Kugeln unterschiedlicher Masse, aber gleichen Volumens getrennt werden kann. Damit sind alle gedanklichen Vorbereitungen getroffen, um das Modellexperiment zum Massenspektrographen vom Prinzip her anhand der beiliegenden Folie zu erläutern.

Im Modellexperiment werden Stahl-, Aluminium- und Kunststoff­kugeln gleichen Volumens verwendet, die, solange keine Ablenkung erfolgt, alle gradlinig in das erste Feld des „Detektors“ laufen.

Zur Ablenkung der Kugeln kann ein regulierbares Gebläse, das zum Betrieb einer Luftkissenfahrbahn dient, eingesetzt werden. Besonders gut geeignet sind aber die Gase Kohlenstoffdioxid und Stickstoff aus Stahlflaschen, weil über das Regulierungsventil der Gasstrom sehr genau dosiert werden kann. Da die Angriffsfläche des Gasstromes bei allen Kugeln gleich ist, erfolgt die Auftrennung eindeutig nach der Masse, denn eine schwere Kugel benötigt eine größere Kraft, um abgelenkt zu werden als eine leichte. (In einem Vorversuch sollte der geeignete Gasstrom genau eingestellt werden.)