Atommasse und atomare Masseneinheit

Die Bestimmung der Masse von Stoffportionen (z.B. 100 g Zucker) ist dank der Waage kein Problem. Die Massenbestimmung von kleinsten Stoffteilchen, Atomen, Molekülen oder Ionen ist mit dieser Methode jedoch nicht möglich. Beispielsweise beträgt die Atommasse $m_a$ eines Wasserstoffatoms:

$m_a(H)=1{,}6710^{-24}\; g=0{,}00000000000000000000000167\;g\;$ Gleichung (1)

Um nicht mit solchen unhandlichen Werten arbeiten zu müssen und damit zwischen verschiedenen Teilchen ein Vergleich möglich ist, wurde die atomare Masseneinheit $u$ (Unit) eingeführt. Sie entspricht ungefähr der Masse eines Wasserstoffatoms (bzw. eines Protons), festgelegt wurde folgende Definition:

$1\;u=\frac1{12}\cdot m({}^{12}C-Atom)\;$ Gleichung (2)

D.h.: $1\;u$ entspricht einem Zwölftel der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops$\;{}^{12}C$.

Dieser Wert kann, neben der Ordnungszahl, dem Periodensystem der Elemente (PSE) für jedes Element als durchschnittliche Atommasse entnommen werden.

Abb. 1: Wasserstoff im Periodensystem (gezeichnet mit Google Docs)

Wie erfolgt diese Massenbestimmung?

Mithilfe des Massenspektrometers ist es möglich, diese Massen sehr genau zu messen. Das Prinzip wird nachfolgend erklärt.

a) Prinzip: Erklärung mittels eines Modellversuchs:

Abb. 2: Modellversuch zur Arbeitsweise eines Massenspektrometers (gezeichnet mit Google Docs)

Zwischenfrage:

Erläutere anhand von Abb. 1 die Funktionsweise dieses Modellversuches!

b) Tatsächlicher Aufbau eines Massenspektrometers:

Abb. 3: Schematische Darstellung eines Massenspektrometers (gezeichnet mit Google Docs)

Erläuterungen zu Abb. 3:

Gib an, Ionen welcher Masse bei den Punkten $4a$ bzw. $4b$ auftreffen!

Positiv geladene Ionen werden emittiert und anschließend in einem elektrischen Feld beschleunigt. In einem Magnetfeld erfolgt anschließend eine Ablenkung, die je nach Masse unterschiedlich stark ist.