Anwendungen und Erweiterungen des Wien-Filters

Der Wien-Filter findet vielfältige Anwendungen in der Teilchenphysik und Massenspektrometrie. Eine wichtige Wien Filter Anwendung ist der Einsatz als Geschwindigkeitsfilter in Massenspektrometern.

Definition: Ein Massenspektrometer ist ein Gerät zur Bestimmung der Masse von Ionen. Die Kombination eines Wien-Filters mit einem Massenspektrometer ermöglicht eine präzise Massenanalyse.

Die Funktionsweise eines Massenspektrometers mit Geschwindigkeitsfilter basiert auf der Selektion von Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den Wien-Filter. Anschließend werden diese Teilchen in einem Magnetfeld abgelenkt, wobei der Ablenkradius von ihrer Masse abhängt.

Highlight: Die Kombination von Wien-Filter und Massenspektrometer erlaubt eine genaue Bestimmung des Verhältnisses von Masse zu Ladung (m/q) der untersuchten Teilchen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Geschwindigkeitsintervall Δv, das den Bereich der Geschwindigkeiten angibt, in dem Teilchen den Filter passieren können:

Formula: Δv = (m·b) / (q·L·B²), wobei m die Masse des Teilchens, b die Breite des Spalts, q die Ladung, L die Länge des Plattenkondensators und B das Magnetfeld ist.

Diese Formel gilt allgemein für geladene Teilchen und nicht nur für Elektronen. Sie zeigt, dass das Geschwindigkeitsintervall unabhängig von der Spannung am Plattenkondensator ist.

Example: In einem Fadenstrahlrohr, einer speziellen Form des Wien-Filters, kann man die Ablenkung von Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern direkt beobachten.

Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und die präzise Kontrolle über geladene Teilchen machen den Wien-Filter zu einem unverzichtbaren Instrument in der modernen Physik und Analytik.

Wien-Filter: Aufbau und Funktionsweise

Der Wien Filter Aufbau besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenwirken, um geladene Teilchen nach ihrer Geschwindigkeit zu selektieren. Die Hauptelemente sind:

1. Eine Elektronenkanone, bestehend aus einer Glühkathode im Wehnelt-Zylinder und einer Beschleunigungsanode, die die Teilchen erzeugt und beschleunigt.

2. Zwei Kolben einer evakuierten Röhre, die ein Vakuum erzeugen, in dem sich die Teilchen ungestört bewegen können.

3. Eine Blende mit einem Loch, durch das die Teilchen in den Filterbereich eintreten.

4. Ein Plattenkondensator zur Erzeugung eines homogenen vertikalen elektrischen Feldes.

5. Ein Helmholtzspulenpaar zur Erzeugung eines homogenen magnetischen Feldes, das senkrecht zum elektrischen Feld und zur Flugrichtung der Teilchen steht.

Die Funktionsweise des Wienschen Geschwindigkeitsfilters basiert auf dem Zusammenspiel von elektrischer und magnetischer Kraft:

Definition: Die elektrische Kraft F_el = q·E wirkt im elektrischen Feld, während die Lorentzkraft F_L = q·v·B im magnetischen Feld wirkt. Beide Kräfte sorgen für eine Ablenkung in der Vertikalen.

Highlight: Nur Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit v = E/B durchfliegen den Filter geradlinig und unabgelenkt. Dies ist der Fall, wenn sich die elektrische und magnetische Kraft gegenseitig aufheben (Kräftegleichgewicht).

Example: Elektronen, die "zu langsam" sind, werden nach oben abgelenkt, da die elektrische Kraft überwiegt. "Zu schnelle" Elektronen werden nach unten abgelenkt, da die Lorentzkraft dominiert.

Die Wien Filter Formel v = E/B ist von zentraler Bedeutung für die Funktionsweise des Filters. Sie beschreibt die Bedingung, unter der Teilchen den Filter unabgelenkt passieren.

Vocabulary: E steht für die elektrische Feldstärke, B für die magnetische Flussdichte und v für die Geschwindigkeit der Teilchen.