(Vakuum „AUS“, E-Feld „AUS“ und B-Feld „AUS“)

Versuchsaufbau

• Vakuumpumpe
• Kammer mit Präparat und Kondensatorplatten
• Alpha-Teilchen Präparat Am 241
• Kondensatorplatten mit Abstand d=0,9mm und Festspannung U=3000V (E-Feld)
• Externes B-Feld, kontinuierlich ansteuerbar; senkrecht zum E-Feld
• Blende mit kleinem Fenster 3,5 mm
• Zählrohr
  
  Aus der Alphateilchenquelle ( Am 241) treten ständig Teilchen aus, die mit der Luft wechselwirken. Da ihre Reichweite kleiner ist als die Kammerlänge wird im Zählrohr nur eine Reststrahlung angezeigt.
  Nun bitte die Erzeugung des Vakuums einschalten. Das E- und das B-Feld sind auf „AUS“ geschaltet.
  
  Bitte beachten:
  Aus Gründen der Anschauung mußte ein nicht maßstabsgerechteter Versuchsaufbau verwendet werden.
  

• Vakuumpumpe
• Kammer mit Präparat und Kondensatorplatten
• Alpha - Teilchen Präparat Am 241
• Kondensatorplatten mit Abstand d=0,9mm und Festspannung U=3000V (E-Feld)
• Externes B-Feld, kontinuierlich ansteuerbar; senkrecht zum E-Feld
• Blende mit kleinem Fenster 3,5 mm
• Zählrohr
  
  In der vakuumdichten Ablenkkammer bewegen sich die Alpha-Teilchen vom Präparat ohne Verlust geradlinig bis ins Zählrohr. Die Zählrate liegt bei ca. 975 Teilchen in 100 Sekunden.
  Unsere Aufgabe ist es jedoch die natürliche Geschwindigkeit der Alpha-Teilchen zu bestimmen. Also muß eine Wechselwirkung der Alpha-Teilchen mit einem Versuchsaufbau genutzt werden, der das ermöglicht. Wie aus dem vorliegenden Versuchsaufbau ersichtlich wird, wird eine Wechselwirkung zwischen Alpha-Teilchen, einem E-Feld und einem B-Feld genutzt. Doch warum???
  Nun bitte das E-Feld ohne Vakuum einschalten, das B-Fels ist auf „AUS“.
  

• Vakuumpumpe
• Kammer mit Präparat und Kondensatorplatten
• Alpha-Teilchen Präparat Am 241
• Kondensatorplatten mit Abstand d=0,9mm und Festspannung U=3000V (E-Feld)
• Externes B-Feld, kontinuierlich ansteuerbar; senkrecht zum E-Feld
• Blende mit kleinem Fenster 3,5 mm
• Zählrohr
  
  In der mit Luft aufgefüllten Ablenkkammer bewegen sich die Alpha-Teilchen vom Präparat durch den Plattenkondensator in Richtung Zählrohr. Sie erreichen das Zählrohr nicht wegen der Wechselwirkung mit der Luft und wegen der elektrischen Kraft Fel, die das elektrische Feld auf die Alpha-Teilchen ausübt. Nur wieder eine Reststrahlung ist meßbar.
  Eine, für eine Berechnung nutzbare Wechselwirkung ist gefunden, die Wechselwirkung zwischen Alpha-Teilchen und elektrischem Feld.
  
  Fel =q*E ;
  
  wir wollen aber die Geschwindigkeit bestimmen! Betrachten wir aber zuvor wie bewegen sich die Alpha-Teilchen im Vakuum und im E-Feld.
  Bitte nun das Vakuum und das E-Feld auf "EIN" einstellen, das B-Feld ist auf "AUS".
  

• Vakuumpumpe
• Kammer mit Präparat und Kondensatorplatten
• Alpha-Teilchen Präparat Am 241
• Kondensatorplatten mit Abstand d=0,9mm und Festspannung U=3000V (E-Feld)
• Externes B-Feld, kontinuierlich ansteuerbar; senkrecht zum E-Feld
• Blende mit kleinem Fenster 3,5 mm
• Zählrohr
  
  Wie zu erwarten war, haben wir die Störkomponente Wechselwirkung zwischen Alpha-Teilchen und Luft beseitigt, die Alpha-Teilchen können sich weiter in der Ablenkkammer in Richtung Zählrohr bewegen. Aber sie kommen nicht im Zählrohr an, weil die Kraft des elektrischen Feldes Fel dies verhindert.
  Es sei nochmals erinnert, wir wollen die natürliche Geschwindigkeit der Alpha-Teilchen durch unseren Versuch bestimmen können, dazu brauchen wir eine physikalische Beziehung in der die Geschwindigkeit v eine Rolle spielt und eine Kraft die auch auf Alpha-Teilchen Einfluß hat.
  Bitte nun das Vakuum auf "AUS", das E-Feld auf "AUS" und das B-Feld auf "EIN" schalten.
  

• Vakuumpumpe
• Kammer mit Präparat und Kondensatorplatten
• Alpha-Teilchen Präparat Am 241
• Kondensatorplatten mit Abstand d=0,9mm und Festspannung U=3000V (E-Feld)
• Externes B-Feld, kontinuierlich ansteuerbar; senkrecht zum E-Feld
• Blende mit kleinem Fenster 3,5 mm
• Zählrohr
  
  Wie zu sehen ist, trotz der Luft und der Tatsache, dass die Alpha-Teilchen das Zählrohr nicht erreichen, gibt es neben der elektrischen Kraft eine Kraft, die Einfluß auf die Alpha-Teilchen hat, es ist die Lorenzkraft, die aus dem Magnetfeld B entstammt.
  
  F=q*v*B
  
  Wir haben gerade eine Formel gefunden, wo zur Berechnung eine Geschwindigkeit vorkommt. Da wir aber weder die wirkende Lorenzkraft noch die Ladung der Alpha-Teilchen kennen, können wir die Formel so nicht verwenden, um die natürlichen Geschwindigkeit der Alpha-Teilchen zu bestimmen.
  Bitte nun das Vakuum auf "EIN", das E-Feld auf "EIN" und das B-Feld auf "EIN" schalten.
  In dieser Einstellung werden wir zusammen im Animationsbereich Erklärung ein Tafelbild entwickeln, wozu bitte unsere einem Videorecorder abgeschauten Steuerelemente wie Film "STOPP" etc. zu nutzen sind.
  

• Vakuumpumpe
• Kammer mit Präparat und Kondensatorplatten
• Alpha-Teilchen Präparat Am 241
• Kondensatorplatten mit Abstand d=0,9mm und Festspannung U=3000V (E-Feld)
• Externes B-Feld, kontinuierlich ansteuerbar; senkrecht zum E-Feld
• Blende mit kleinem Fenster 3,5 mm
• Zählrohr
  
  
  Wie lautet unsere Aufgabe?
  
• Bestimmung der natürlichen Geschwindigkeit von Alpha-Teilchen
  
  Was wissen wir?
  
• Im Vakuum können wir sehr gut die Alpha-Teilchen mit einem Zählrohr messen.
• Alpha-Teilchen lassen sich durch die elektrische Kraft Fel=q*E und durch die magnetische Kraft (Lorenzkraft) FL=q*v*B ablenken.
  
  Wir wollen die Geschwindigkeit von Alpha-Teilchen bestimmen. Es bietet sich an beide Gleichungen gleich zu setzen:
  
  Fel= FL oder q*E=q*v*B
  
  durch Umstellung erhalten wir
  
  v=E/B unter Beachtung, das E=U/d
  
  v= (U/d)/B
  
  Dürfen wir nach unserem Versuchsaufbau beide Gleichungen gleich setzen und was bedeutet dies für unser Experiment?
  
  
  JA, es gilt Fel= FL , wenn die Alpha-Teilchen unabgelenkt das Zählrohr erreichen, also die Zählrate ein Maximum hat.
  
  Das bedeutet, wir müssen das B-Feld so verändern, dass es das elektrische Feld kompensiert, also
  
  Fel= FL gilt
  
  
  ANS WERK!!!!
  
  Bitte zurück in den Versuch gehen, den Wert des optimalen Magnetfeldes bestimmen und merken, wieder zurück in die Erklärung gehen und diesen Wert nach Aufforderung eintragen.
  (In diese Stelle muß nach dem Experiment wieder hineingesprungen werden, Regieanweisung)
  
  
  Bitte in das freie Feld den ermittelten Wert für die optimale Zählrate eintragen, wo
  
  Fel= FL gilt
  
  Eingabe von ( B=0,23+-0,015T ), wenn nicht bitte neu messen anzeigen
  dann erhalten wir unter Nutzung der bekannten Werte
  
  
  v= (U/d)/B
  
  v= (3000V/0,9*10-3m)/B=1,45*107 ms-1
  (oder nicht, mit falschen Wert ermittelt kennzeichnen)
  
  Mit unserem Experiment ist es uns gelungen die natürliche Geschwindigkeit von Alpha-Teilchen zu bestimmen v=1,45*107 ms-1
  
  Bitte beachten, das sind ca. 5% der Lichtgeschwindigkeit, Frage, wenn man mit unbeschleunigten Alpha-Teilchen arbeitet, muß man relativistisch oder kann man klassisch rechnen?
  
  Natürlich klassisch, da die natürliche Geschwindigkeit der Alpha-Teilchen bei nur ca. 5% von der Lichtgeschwindigkeit liegt, läge sie bei 90% müßte man relativistisch rechnen.