Das Experiment zum Wienfilter, ist ein fundamentales physikalisches Experiment, das die simultane Anwendung von elektrischen und magnetischen Feldern zur Geschwindigkeitsselektion geladener Teilchen demonstriert. Es zeigt, wie man ein Geschwindigkeitsfilter für geladene Teilchen wie Elektronen oder Ionen konstruieren kann.
Experimentaufbau:
Elektrisches und Magnetisches Feld: Der Wienfilter besteht aus einer Anordnung, die ein homogenes elektrisches Feld und ein dazu senkrecht stehendes homogenes magnetisches Feld erzeugt. Diese Felder überlappen sich.
Geladene Teilchen: Eine Quelle emittiert geladene Teilchen, die durch den Wienfilter hindurchtreten.
Detektor: Am Ausgang des Wienfilters wird ein Detektor positioniert, um die durchgehenden Teilchen zu erfassen.
Durchführung:
- Geladene Teilchen treten in den Bereich ein, in dem sich das elektrische und das magnetische Feld überlagern. Beide Felder wirken gleichzeitig auf die Teilchen.
Beobachtungen:
- Nur Teilchen einer spezifischen Geschwindigkeit, die von der Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes abhängt, können den Wienfilter passieren und vom Detektor erfasst werden.
Kräftegleichgewicht:
Im elektrischen Feld erfahren die Teilchen eine Kraft, die proportional zur Stärke des elektrischen Feldes und zur Ladung der Teilchen ist. Im magnetischen Feld wirkt eine Lorentz-Kraft, die proportional zur Stärke des Magnetfelds, zur Geschwindigkeit der Teilchen und zu ihrer Ladung ist.
Für Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit heben sich die Kräfte des elektrischen und des magnetischen Feldes gegenseitig auf. Diese Teilchen passieren den Filter ohne Ablenkung.
Teilchen, deren Geschwindigkeit zu hoch oder zu niedrig ist, werden entweder vom elektrischen oder vom magnetischen Feld abgelenkt und erreichen den Detektor nicht.
Schlussfolgerungen:
Der Wienfilter ist ein elegantes Instrument zur Geschwindigkeitsselektion geladener Teilchen. Er findet Anwendung in der Massenspektrometrie, wo er zur Trennung von Ionen unterschiedlicher Geschwindigkeiten (und damit unterschiedlicher Masse) eingesetzt wird. Dieses Experiment illustriert das Zusammenspiel und die Auswirkungen von elektrischen und magnetischen Feldern auf geladene Teilchen.
