Masse-til-ladningsforhold

Mass-til-ladningsforhold
Informasjon
Vanlige symboler		m/Q
SI enhet		kg/C
I SI-grunnenheter		kg⋅A-1⋅s-1
Dimensjon		${\displaystyle MI^{-1}T^{-1}}$

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.

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 ${\displaystyle {Q \over m}=-1.75882001076(53)\cdot 10^{1}1C\cdot mg^{-1}}$^[2]

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

${\displaystyle \mathbf {F} =Q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$		(Lorentz-kraft lov)
${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} =m{\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}}$		(Newtons andre lov om bevegelse)

hvor ${\displaystyle F}$ er kraften som er påført ionet, ${\displaystyle m}$ er massen til partikkelen, ${\displaystyle a}$ er akselerasjonen, ${\displaystyle Q}$ er den elektriske ladningen, ${\displaystyle E}$ er det elektriske feltet, og ${\displaystyle \mathbf {v} \times B}$ 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:

${\displaystyle \left({\frac {m}{Q}}\right)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$.

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.

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.

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.

• (en) Mass-to-charge ratio – kategori av bilder, video eller lyd på Commons