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Ausblick

Identifizierung der Strahlungsarten

Die spezifische Ladung als Hinweis auf Teilchenart

"Spektren sind wie Fingerabdrücke der Atome"

Diese Aussage gilt in der Atomphysik, seit Gustav Robert KIRCHHOFF (1824 - 1887) und Robert Wilhelm BUNSEN (1811 - 1899) die Spektralanalyse etabliert haben.

Objekte in der Kernphysik sind aber gar keine Atome und weisen keine Atomhülle auf, in der die charakteristischen Übergänge mit Photonenemission stattfinden könnten.

Ähnlich eindeutig wie die Emissions- bzw. Absorptionsspektren in der Atomphysik, gibt in der Kernphysik der Wert der spezifischen Ladung Auskunft über die Identität der Teilchen. Die spezifische Ladung ist das Verhältnis von Teilchenladung zur Teilchenmasse, kurz: \(\frac{q}{m}\).

"Die q/m-Werte sind wie Fingerabdrücke 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. Eine genaue Messung der q/m-Werte der β-Strahlung gelang u.a. Alfred BUCHERER (1863 - 1927). Er stellte fest, dass die spezifische Ladung der β-Teilchen höchst genau mit der spezifischen Ladung der Elektronen übereinstimmt. Er zog daraus den Schluss: β-Teilchen sind Elektronen.

Um die Vorgehensweise von BUCHERER genau verstehen zu können, benötigst du Kenntnisse, die du erst in der Oberstufe erwerben kannst. Es soll hier nur grob die Versuchsanordnung von BUCHERER vorgestellt werden.

Abb. 1 Versuchsaufbau zur Identifikation von Strahlungsarten

Der β-Strahler sitzt im Inneren eines Plattenkondensators, in dem ein elektrisches und ein magnetisches Feld herrscht. Der β-Strahler sendet unterschiedlich schnelle Teilchen aus. Nur Teilchen mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit können den Kondensator unabgelenkt verlassen und die Blenden passieren.

Nach dem Verlassen des Kondensators gelangen die β-Teilchen in ein homogenes Magnetfeld, welches hier in die Papierebene gerichtet ist.

Aus den Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes und den Abmessungen der Anordnung und der Lage des Auftreffpunktes der β-Teilchen am Schirm konnte Bucherer die spezifische Ladung der β-Teilchen bestimmen und die Übereinstimmung mit dem q/m-Wert für Elektronen zeigen. Für langsame bzw. ruhende Elektronen gilt
\[{\left( {\frac{q}{m}} \right)_\beta } =  - 1,8 \cdot {10^{11}}\frac{{{\rm{As}}}}{{{\rm{kg}}}}\]

 
Verständnisaufgabe
Verständnisaufgabe

Erläutere, welche Kräfte auf das β-Teilchen β1 im Kondensator wirken und zeichne diese in die Skizze ein.

Lösung

Abb. 2 Elektrische und magnetische Kräfte auf das Teilchen

Im Kondensator wirkt die elektrische Kraft auf das ß-Teilchen nach oben, da sich ungleichnamig geladene Körper (ß-Teilchen und positive obere Platte) anziehen. Das Magnetfeld bewirkt dagegen eine LORENTZ-Kraft nach unten. Die Richtung kann mit der U-V-W-Regel der linken Hand ermittelt werden: Ursache (Daumen): Bewegungsrichtung des Teilchens (nach rechts); Vermittlung (Zeigefinger): Magnetfeldrichtung (in Papierebene); Wirkung (Mittelfinger): Richtung der LORENTZ-Kraft (nach unten). Bei einer bestimmten Teilchengeschwindigkeit sind die beiden Kräfte von gleichem Betrag, so dass ein Teilchen mit dieser Geschwindigkeit nicht abgelenkt wird und die Blende passieren kann.

Erläutere, welche Kraft auf das β-Teilchen β2 wirkt und zeichne diese in die Skizze ein. Gib an, welche Bahnart dieses Teilchen durchläuft.

Lösung

Abb. 3 Lorentzkraft führt zu Kreisbahn

Auf das Teilchen wirkt nur noch die LORENTZ-Kraft, deren Richtung stets senkrecht zur Bewegungsrichtung ist. Dadurch durchläuft das Teilchen den Teil einer Kreisbahn.

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 Stärke, so lässt sich die spezifische Ladung der α-Teilchen berechnen:
\[{\left( {\frac{q}{m}} \right)_\alpha } = 4,8 \cdot {10^7}\frac{{{\rm{As}}}}{{{\rm{kg}}}}\]
Für diesen so bestimmten Wert (der vom Betrag her wesentlich kleiner ist als derjenige der Elektronen) 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)

Abb. 4 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs von RUTHERFORD und ROYDS zur Identifizierung von Alpha-Teilchen als Helium-Kerne

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: Wenn du deine Englischkenntnisse erweitern und einen Eindruck darüber bekommen willst, wie neue wissenschaftliche Errungenschaften publiziert werden, kannst du unter der Adresse http://web.lemoyne.edu/~giunta/royds.html die Originalarbeit von RUTHERFORD und ROYDS nachlesen. Dort ist auch die reale Versuchsanordnung skizziert.

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 (Aussage darüber, wie viele Elektron-Ion-Paare pro Strecke gebildet werden) und daher eine sehr große Reichweite.

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).