Masse-til-ladningsforhold

Masse-til-ladningsforholdet (m/Q) er en fysisk størrelse som er mest brukt i elektrodynamikken til ladede partikler, f.eks. innen elektronoptikk og ionoptikk. Det fremkommer også i de vitenskapelige feltene elektronmikroskopi, katodestrålerør, akseleratorfysikk, kjernefysikk, Auger-elektronspektroskopi, kosmologi og massespektrometri.[1] Viktigheten av masse-til-ladningsforholdet, i henhold til klassisk elektrodynamikk, er at to partikler med samme masse-til-ladningsforhold beveger seg i samme bane i et vakuum, når de utsettes for de samme elektriske og magnetiske feltene. SI-enhetene er kg/C. I sjeldne tilfeller har thomson blitt brukt som enhet innen massespektrometri.

Stråle av elektroner som beveger seg i en sirkel i et Teltronrør, på grunn av tilstedeværelsen av et magnetfelt. Lilla lys sendes ut langs elektronbanen på grunn av at elektronene kolliderer med gassmolekyler i pæren. Masse-til-ladningsforholdet til elektronet kan måles i dette apparatet ved å sammenligne radien til den lilla sirkelen, styrken til magnetfeltet og spenningen på elektronpistolen. Massen og ladningen kan ikke måles separat på denne måten - bare forholdet.
Masse-til-ladningsforhold
Informasjon
NavnMass-til-ladningsforhold
Vanlige symbolerm/Q
SI enhetkg/C
I SI-grunnenheterkgA-1s-1
Dimensjon

Noen disipliner bruker i stedet ladnings-til-masseforholdet (Q/m), som er det multiplikative inverse av forholdet mellom masse og ladning. Den anbefalte CODATA-verdien for et elektron er [2]

OpprinnelseRediger

Når ladede partikler beveger seg i elektriske og magnetiske felt, gjelder følgende to lover:

    (Lorentz-kraft lov)
    (Newtons andre lov om bevegelse)

hvor   er kraften som er påført ionet,   er massen til partikkelen,   er akselerasjonen,   er den elektriske ladningen,   er det elektriske feltet, og   er kryssproduktet til ionets hastighet og magnetisk flukstetthet.

Denne differensialligningen er den klassiske bevegelsesligningen for ladede partikler. Sammen med partikkelens utgangsbetingelser, bestemmer den helt partikkelens bevegelse i rom og tid når det gjelder m/Q. Dermed kan massespektrometere betraktes som "masse-til-ladning spektrometre". Når du presenterer data i et massespektrum, er det vanlig å bruke det dimensjonsløse m/z, som betegner den dimensjonsløse størrelsen dannet ved å dele massetallet til ionet med dets ladetall.[1]

Kombinere de to tidligere ligningene gir:

 .

Denne differensialligningen er den klassiske bevegelsesligningen til en ladet partikkel i vakuum. Sammen med partikkelens utgangsbetingelser bestemmer den partikkelens bevegelse i rom og tid. Det avslører umiddelbart at to partikler med samme m/Q-forhold oppfører seg på samme måte. Dette er grunnen til at forholdet mellom masse og ladning er en viktig fysisk størrelse i de vitenskapelige feltene der ladede partikler samhandler med magnetiske eller elektriske felt.

Symboler og enheterRediger

Det IUPAC anbefalte symbolet for masse og ladning er henholdsvis m og Q,[3][4] men bruk av små bokstaver q for ladning er også veldig vanlig. Ladning er en skalaregenskap, noe som betyr at den kan være enten positiv (+) eller negativ (-). Coulomb (C) er SI-ladningsenheten; imidlertid kan andre enheter brukes, for eksempel å uttrykke ladning i form av den grunnleggende ladningen (e). SI-enheten til den fysiske mengden m/Q er kilogram per coulomb.

Massespektrometri og m/zRediger

Utdypende artikkel: Massespektrometri

Enhetene og notasjonen ovenfor brukes når det gjelder fysikk av massespektrometri; imidlertid brukes m/z-notasjonen for den uavhengige variabelen i et massespektrum.[1] Denne notasjonen letter datatolkningen, siden den er numerisk mer relatert til den enhetlige atommasseenheten.[1] For eksempel, hvis et ion bærer en ladning, er m/z numerisk ekvivalent med molekyl- eller atommassen til ionet i enhetlige atommasseenheter (u), der den numeriske verdien av m/Q er abstrus. M refererer til molekyl- eller atommassetallet og z til ladningstallet til ionet; imidlertid er mengden m/z per definisjon dimensjonsløs.[1] Et ion med en masse på 100 u (enhetlige atommasseenheter) (m = 100) som bærer to ladninger (z = 2) vil bli observert ved m / z = 50. Den empiriske observasjonen m/z = 50 er imidlertid en ligning med to ukjente og kunne ha oppstått fra andre ioner, for eksempel et ion med masse 50 u som bærer en ladning. Dermed utleder m/z av et ion alene ikke masse eller antall ladninger. Ytterligere informasjon, slik som masseavstanden mellom masse-isotopomerer eller forholdet mellom flere ladetilstander, er nødvendig for å tilordne ladetilstanden og utlede massen til ionet fra m/z. Denne tilleggsinformasjonen er ofte, men ikke alltid tilgjengelig. Dermed brukes m/z primært til å rapportere en empirisk observasjon i massespektrometri. Denne observasjonen kan brukes sammen med andre bevis for å deretter utlede de fysiske egenskapene til ionet, som masse og ladning.

KilderRediger

  1. ^ a b c d e Nič, Miloslav, red. (12. juni 2009). «mass-to-charge ratioin mass spectrometry, mz». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (engelsk). IUPAC. ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook.m03752. Besøkt 16. februar 2021. 
  2. ^ «CODATA Value: electron charge to mass quotient». physics.nist.gov. Besøkt 16. februar 2021. 
  3. ^ Quantities, units, and symbols in physical chemistry (2nd ed utg.). Oxford: Blackwell Scientific Publications. 1993. s. 4. ISBN 0-632-03583-8. OCLC 27011505. 
  4. ^ Quantities, units, and symbols in physical chemistry (2nd ed utg.). Oxford: Blackwell Scientific Publications. 1993. s. 14. ISBN 0-632-03583-8. OCLC 27011505.