Teilchen in der Falle

Ausgangspunkt dieser Versuchsreihe ist die mechanische Paul-Falle, bei der eine Stahlkugel tanzend auf einer rotierenden Sattelfläche verweilt7). Die wirkenden Kräfte sind mit denen innerhalb einer elektrodynamischen Paulfalle vergleichbar. So kann auch ihre Funktion ohne Verwendung der Mathieu‘schen Differentialgleichungen sehr anschaulich erklärt werden. Die Wirkung der elektrodynamischen Kräfte eröffnet sich besonders schön bei der Aerosol-Paulfalle in Luft8). Sie besteht aus nur drei hyperbolisch geformten Ringelektroden und kann sehr einfach mit technischer Wechselspannung (1000Volt, hochohmig abgesichert) betrieben werden. Unter diesen Betriebsbedingungen (50 Hz) können geladene Mikro-Partikel, Wasser-tröpfchen, Eisteilchen, Ruß, Pollen, etc. leicht in Schwebe gehalten und somit langzeitig beobachtet werden. Hierzu genügt es, das Licht eines Laserpointers in die Falle zu richten.

Solche Ionenfallen in Luft finden heute wichtige Anwendungen in der Aerosolforschung, denn sie ermöglichen es, die für den Treibhauseffekt enorm wichtigen optischen Eigenschaften des Aerosols zu quantifizieren. Von der atmosphärischen Paulfalle ist der Schritt ins Vakuum und zum Quadrupol-Massenfilter nicht mehr groß. Es ist mein Bestreben ein komplettes, jedoch preisgünstiges Quadrupol-Massenfilter-System (z.B. einen gebrauchten Restgasanalysator) zu finden, um damit nicht nur Studenten/innen im Projektpraktikum, sondern  auch Lehrern/innen die Möglichkeit zu verschaffen, mit ihren Schülern Massenspektren aufzunehmen. So können sie die Atemluft verschiedener Personen untersuchen, die Abgase von Diesel- und Benzinmotoren vergleichen oder auch Zusammensetzung von Wasserproben verschiedenster Herkunft bewerten. Gerade bei solchen Aktionen erlebe ich häufig, dass dabei nicht nur Interesse für die Physik, sondern auch Engagement - beispielsweise für die Reinerhaltung der Umwelt - geweckt wird. Zudem wirft die Beschäftigung mit dem Thema auch wichtige neue Fragen auf: Wo kommt die Verunreinigung  her; wie messe ich Erdproben, wie stelle ich radioaktive Kontamination fest?

Weiterhin liefert die Massenspektroskopie Bezüge zu sehr aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen wie zum Beispiel: die Analyse von Eisbohrkernen, die Datierung von Gestein und Fossilien, der Spurenstoffnachweis von Sprengstoffen und Drogen, Isotopen-Markierung  und -Trennung, Lungenfunktionstests, etc. Auch die Entwicklung des Gebietes selbst geht rasant weiter: So erreicht die Größe nachweisbarer Teilchen bei modernen Flugzeit-Massenspektrometern längst den Bereich von Nanoteilchen, biologischen Grundbausteinen und des Aerosols. Außerdem diskutiert man bereits über die massenspektrometrische Wägung der chemischen Bindung.