Ph 12

Versuch

Identifizierung der natürlichen radioaktiven Strahlung

"Spektren sind wie Fingerabdrücke der Atome"

Diese Aussage gilt in der Atomphysik seit Kirchhoff und Bunsen die Spektralanalyse etabliert haben. Wie kann man aber Objekte der Kernphysik identifizieren, die gar keine Atome sind? Solche Objekte weisen keine Atomhülle auf, in der die charakteristischen Übergänge mit Photonenemission stattfinden.

 

"Die q/m-Werte sind wie Fingerabdrücke der Teilchen"

Ähnlich eindeutig wie die Emissions- bzw. Absorptionsspektren in der Atomphysik, gibt der präzise Wert der spezifischen Ladung (q/m) eines Teilchens in der Kernphysik Auskunft über die Identität der Teilchen.

Identifizierung der β-Strahlung
Bei der negativ geladenen β-Strahlung lag die Vermutung nahe, dass es sich bei dieser Strahlung um schnelle Elektronen handelt. Der experimentelle Nachweis gelang zuerst durch Kaufmann und Bucherer mit ihren genauen Messungen der spezifischen Ladung von β-Teilchen, die zudem eine Festigung der Formel für die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse (Einstein) erbrachte.

Wegen des kontinuierlichen Energiespektrums und der hohen Teilchengeschwindigkeiten besitzen β-Teilchen keinen festen Wert für q/m. Vielmehr besagt die Relativitätstheorie für Elektronen:

Die mit dieser Formel berechneten Werte für die geschwindigkeitsabhängige spezifische Ladung der Elektronen stimmt hervorragend mit den Versuchsergebnissen von Kaufmann und Bucher an β-Teilchen überein, so dass man behaupten kann: β-Teilchen sind Elektronen.


Identifizierung der α-Strahlung

  • Aus der Reichweite der α-Strahlung in Luft kann man auf die Energie und damit auf die Geschwindigkeit der α-Teilchen schließen.
  • Misst man zusätzlich den Radius r der α-Teilchenbahnen in einem starken Magnetfeld bekannter Flussdichte B, so lässt sich die spezifische Ladung der α-Teilchen berechnen:

Für diesen so bestimmten Wert kommen nur Ionen wie He++, Li+++ usw. in Frage. Mit den heutigen extrem genauen Messmethoden könnte man klar entscheiden, dass nur He++ in Frage kommt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Messtechnik noch nicht so fortgeschritten. Jedoch konnten Rutherford und Royds durch einen trickreichen Versuch eindeutig zeigen, dass es sich bei der α-Strahlung um ("nackte") Heliumkerne handelt.

  • Der Versuch von Rutherford und Royds (vereinfachte Darstellung in der nebenstehenden Animation)
    • In einem hauchdünnen Kapillarrohr (Wandstärke ca. 1/100 mm) befindet sich der gasförmige Alpha-Strahler Radon.
    • Die α-Teilchen durchdringen das Kapillarrohr und gelangen in das Innere eines hochevakuierten Glaskolbens. An der Wand des Kolbens werden die α-Teilchen neutralisiert. Nach einiger Zeit (z.B. nach sechs Tagen) sind genügend Teilchen in dem Volumen, welches durch das verschiebliche Quecksilber noch verkleinert wird.
    • Zündet man zwischen den Elektroden eine Entladung, so kann man mit einem Spektroskop das typische Helium-Spektrum beobachten.

    •  

  • Fazit:
    Durch einen geschickten Versuch konnten Rutherford und Royds die α-Teilchen als ("nackte") Heliumkerne identifizieren.

Hinweis:
Unter der Adresse http://web.lemoyne.edu/~giunta/royds.html können Sie die Originalarbeit von Rutherford und Royds nachlesen. Dort ist auch die reale Versuchsanordnung skizziert.


stark vereinfachte Anordnung


Identifizierung der γ-Strahlung

  • Wie die Röntgenstrahlung ist die γ-Strahlung auch durch stärkste elektrische und magnetische Felder nicht ablenkbar. Dies deutet darauf hin, dass sie nicht Träger einer elektrischen Ladung ist.
  • Die γ-Strahlung besitzt ähnlich wie die Röntgenstrahlung nur eine geringe spezifische Ionisationsfähigkeit und daher eine sehr große Reichweite.
  • Die γ-Strahlung löst ähnlich wie die harte Röntgenstrahlung Photo- und Comptoneffekt aus.
  • Die direkte Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von γ-Strahlung ergab die Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Diese Befunde lassen den Schluss zu, dass es sich bei der γ-Strahlung um hochenergetische Photonen handelt (extrem kurzwellige elektromagnetische Strahlung).