2.4 Ablenkung von Betastrahlen im Magnetfeld Aufgabe
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Naturwissenschaften - Physik - Radioaktivität - 2 Strahlenarten und ihre Eigenschaften (P7300900) 2.4 Ablenkung von Betastrahlen im Magnetfeld Experiment von: Phywe Gedruckt: 16.10.2013 16:23:51 interTESS (Version 13.06 B200, Export 2000) Aufgabe Aufgabe Wie verhalten sich β-Strahlen in einem Magnetfeld? Untersuche, ob β-Strahlen in einem Magnetfeld abgelenkt werden. Raum für Notizen Wenn Sie als Lehrer angemeldet sind, finden Sie nachstehend eine Schaltfläche für Zusatzinformationen. -1- Zusätzliche Information Auf β-Teilchen, die sich senkrecht zur Feldrichtung eines Magneten bewegen, wirkt die Lorenzkraft. Bei konstanter Geschwindigkeit und Magnetfeldstärke bewegen sich die β-Teilchen im Feldbereich auf einer Kreisbahn, deren Bahnradius von ihrer Geschwindigkeit und der magnetischen Feldstärke abhängt. Da die β-Teilchen ein kontinuierliches Energiespektrum aufweisen, werden sie durch ein Magnetfeld unterschiedlich stark abgelenkt. Dadurch ist es möglich, die Anteile der verschiedenen Energiewerte experimentell zu bestimmen, indem beispielsweise die für vorgegebene Bahnradien bestimmten Zählraten Z als Funktion der magnetischen Flussdichte B ausgewertet werden. Mit der hier vorliegenden vereinfachten Versuchsanordnung lassen sich experimentell folgende Erkenntnisse gewinnen: 1. β-Strahlen bestehen aus elektrisch geladenen Teilchen, weil sie von einem Magneten abgelenkt werden. 2. Da die Richtung der Ablenkung entgegengesetzt zu der nach der Dreifingerregel zu erwartenden Richtung erfolgt, haben β-Teilchen eine negative Ladung 3. Die Ablenkung ist umso größer, je stärker das magnetische Feld ist. Bei Änderung der Feldrichtung erfolgt auch die Ablenkung in die entgegengesetzte Richtung. 4. Die β-Teilchen haben unterschiedliche Energiewerte, weil sie verschieden stark abgelenkt werden. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Bei diesen Versuch werden zufriedenstellende Ergebnisse nur erzielt, wenn bei Aufbau und Durchführung recht sorgfältig vorgegangen wird. Auf folgende Bedingungen ist besonders zu achten: • Das Magnetfeld soll sich im Mittelpunkt der Winkeleinteilung befinden. • Die Austrittsöffnung der Strahlenquelle soll vor den Magnetpolen liegen. • Der Abstand zwischen Strahlenquelle und Zählrohrfenster darf sich bei der Verschiebung des Zählrohres auf der Winkelskala auf keinen Fall verändern, weil dies zu starken Abweichungen der Zählraten führen würde. Um auch eine Verschiebung des Zählrohres im Zählrohrhalter zu vermeiden, sollte die Lage des Zählrohres im Halter markiert werden. • Die Zählrohrachse verläuft radial, wenn beide Marken des Zählrohrhalter auf die gleiche Winkelmarkierung zeigen. • Bei der vorgeschlagenen Messzeit von 60 s werden für eine Messreihe 19 Minuten benötigt. Falls diese Zeit nicht zur Verfügung steht, kann auch eine kürzere Torzeit von 10 Sekunden gewählt werden; es sollten dann jedoch wegen der höheren statistischen Unsicherheit 3 Messungen für jede Winkeleinstellung durchgeführt und die Mittelwerte ausgewertet werden. • Es wird empfohlen diesen Versuch mit dem Geiger-Müller-Zählrohr, Typ B (Bestell-Nr. 09005-00) durchzuführen. Das Geiger-Müller-Zählrohr, 45 mm(Bestell-Nr. 09007-00) detektiert auf Grund des großen Durchmessers -2- einen sehr großen Winkelbereich, sodass eine zufriedenstellendes Ergebnis nicht erziehlt werden kann. Achtung • Bei dem Geiger-Müller-Zählrohr Typ B ist das Zählrohrfenster nicht geschützt. Es sollte daher auf die Gefahr der Zerstörung des Zählrohrfensters bei Berührung hingewiesen werden. Die Schüler sollten die Schutzkappe vom Zählrohr erst vor Beginn der Messung abziehen und nach Beendigung wieder aufsetzen. -3- Material Material Material aus "TESS advanced Physik Set Radioaktivität, RE" (Bestellnr. 15260-88) Position Material Bestellnr. Menge 1 Aufbauplatte zur Radioaktivität 09200-00 1 2 Cobra4 Mobile-Link 2 12620-10 1 3 Cobra4 Sensor-Unit Radioactivity 12665-00 1 4 Plattenhalter auf Haftmagnet 09203-00 1 5 Ablenkmagnete für Plattenhalter, 2 Stk 09203-02 2 Zusätzliches Material 6 Präparat Ra-226, 3 kBq 09041-00 1 7 Präparatehalter auf Haftmagnet 09202-00 1 8 Zählrohrhalter auf Haftmagnet 09201-00 1 9 Geiger-Müller Zählrohr, Typ B 09005-00 1 Für das Experiment benötigte Materialien -4- Aufbau Aufbau Achtung • Die Aktivität der verwendeten Strahlenquelle ist mit 3 kBq recht gering, dennoch sollte die Quelle nur für die Dauer der Versuchsdurchführung aus dem Aufbewahrungsbehälter entnommen werden. • Die allgemein gültigen Regeln zum Umgang mit radioaktiven Präparaten gemäß Strahlenschutzverordnung müssen beachtet werden. Aufbau Befestige die Ablenkmagnete mit Hilfe der Rändelscharuben am Plattenhalter (Abb. 1-4). Der Abstand der Magnete soll 2 cm betragen (Abb. 5). Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 -5- Abb. 5 Setze den Plattenhalter auf die Aufbauplatte (Abb. 6). Der Mittelpunkt der Ablenkmagnete soll sich genau über dem Mittelpunkt der Winkelskala befinden. Abb. 6 Spanne die Strahlenquelle in den Präparatehalter ein (Abb. 7-8); setze den Präperatehalter vor den Plattenhalter (Abb. 9) und verschiebe die Strahlenquelle, bis sich die Strahlenaustrittsöffnung vor den Ablenkmagneten befindet (Abb. 10). Entferne nun den Plattenhalter von der Aufbauplatte ohne die Strahlenquelle zu verschieben (Abb. 11). -6- Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 10 Abb. 11 Setze den Zählrohrhalter auf die Aufbauplatte, seine Markierungsspitze soll auf den Schnittpunkt der 0°-Winkelteilung und den Kreisbogen mit dem Radius r = 5 cm zeigen (Abb. 12). -7- Abb. 12 Spanne das Geiger-Müller-Zählrohr in den Zählrohrhalter und verschiebe es, bis das Zählrohrfenster genau über der Markierungsspitze liegt (Abb. 13-14). Abb. 13 Abb. 14 Verbinde den Mobile-Link mit der Sensoreinheit (Abb. 15). Abb. 15 Verbinde das Zählrohr mit der Sensoreinheit (Abb. 16). -8- Abb. 16 Schalte den Mobile-Link ein und stelle im Menü unter dem Menüpunkt Sensor den Messbereich auf Impulsrate pro Minte und die Torzeit auf 60 Sekunden sowie unter dem Menüpunkt Datenlogger die Einzelwertmessung auf an. Abb. 17 -9- Durchführung Durchführung Entferne vorsichtig die Schutzkappe des Zählrohrs (Abb. 18-19). Starte die Messung durch Drücken der Bestätigungstaste. Notiere den ersten Messwert in Tabelle 1 auf der Ergebnisseite. Abb. 18 Abb. 19 Verschiebe den Zählrohrhalter auf die 10°-Teilung der Winkelskala; achte unbedingt darauf, dass sich der Abstand des Zählrohrs zur Strahlenquelle nicht verändert und dass die Zählrohrachse genau in der Richtung der Winkeleinteilung liegt. Starte die nächste Messung und notiere die Zählrate in Tabelle 1. Wiederhole diese Messungen für alle in der Tabelle angegebenen Winkelwerte zwischen +90° und -90°. Abb. 20 Setze den Plattenhalter mit den Ablenkmagneten vorsichtig auf den Mittelpunkt der Winkelskala. Achte darauf, die Strahlenquelle und das Zählrohr nicht zu verschieben. - 10 - Abb. 21 Bestimme nun die Zählraten für alle vorherigen Winkelwerte unter dem Einfluss des Ablenkmagneten (Abb. 22-23); trage auch diese Messwerte in Tabelle 1 ein . Abb. 22 23 Abb. Wiederhole die Messreihe, nachdem die Lage der beiden Magnete im Plattenhalter vertauscht wurde (Abb. 24-26). Abb. 24 - 11 - Abb. 25 Abb. 26 Wiederhole die Messreihe für einen anderen Abstand der Ablenkmagnete (Abb. 27-28). Abb. 27 28 Abb. Setze nach Beendigung der Messungen die Schutzkappe wieder vorsichtig auf das Zählrohr und lege die Strahlenquelle in den Aufbewahrungsbehälter zurück. - 12 - Ergebnisse Ergebnisse Tabelle 1 Winkel ohne Magnet mit Magnet in Grad Z in Imp / 60 s Z in Imp / 60 s Magnetpole vertauscht Magnetabstand verringert Z in Imp / 60 s Z in Imp / 60 s + 90 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 80 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 70 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 60 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 50 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 40 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 30 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 20 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn + 10 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn 0 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 10 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 20 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 30 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 40 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 50 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 60 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 70 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 80 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn - 90 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn Wenn du genau gemessen hast, solltest du ähnliche Werte erhalten haben. - 13 - Winkel ohne Magnet mit Magnet in Grad Z in Imp / 60 s Z in Imp / 60 s Magnetpole vertauscht Magnetabstand verringert Z in Imp / 60 s Z in Imp / 60 s + 90 149 370 112 183 + 80 169 638 118 208 + 70 184 970 131 226 + 60 272 1434 137 335 + 50 404 1714 146 497 + 40 811 1721 168 998 + 30 1180 1690 358 1451 + 20 1464 1639 506 1801 + 10 1519 1408 677 1869 0 1544 1192 881 1900 - 10 1534 1100 1241 1886 - 20 1474 848 1475 1813 - 30 1126 625 1559 1384 - 40 917 378 1798 1128 - 50 515 280 1793 633 - 60 275 191 1532 338 - 70 206 173 1027 254 - 80 170 161 632 210 - 90 145 142 353 179 - 14 - Auswertung Auswertung Frage 1 Klicke hier, um die Kopiervorlage mit dem Funktionspapier herunterzuladen. Trage alle Messwerte in das Funktionspapier ein. Verwende für die Messpunkte der Versuchsreihen ohne und mit Ablenkmagnet unterschiedliche Farbstifte oder Markierungen. Verbinde die zu den verschiedenen Versuchsreihen gehörenden Messpunkte. Siehe Abbildung 29. Schwarz: ohne Magnet; Rot: mit Magnet; Blau; Magnetpole vertauscht; Grün: Magnetabstand verringert. Abb. 29 Frage 2 Zeichne in alle Messkurven die Richtung ein, in denen die größten Zählraten registriert wurden. - 15 - Siehe Abbildung 14. Frage 3 Welche Wirkung übt der Magnet auf die Bewegung der β-Strahlen aus? Unter dem Einfluss des magnetischen Feldes werden die β-Teilchen aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt. Die Ablenkrichtung hängt von der Richtung des Magnetfeldes ab. Die Intensität der β-Teilchen verteilt sich auf einen größeren Winkelbereich; die β-Teilchen werden also verschieden stark abgelenkt. Das deutet darauf hin, dass sie mit unterschiedlichen Energiewerten emittiert werden. - 16 - Frage 4 Vergleiche das Versuchsergebnis mit dem Verhalten eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld. Die β-Teilchen verhalten sich in einem Magnetfeld ähnlich wie ein stromdurchflossener Leiter, weil sie auch einen Strom geladener Teilchen darstellen. Die Richtung der Ablenkung der β-Teilchen verläuft jedoch entgegengesetzt zu der mit der Dreifingerregel bestimmbaren Ablenkung eines stromdurchflossenen Leiters, weil sich diese Regel auf die technische Stromrichtung bezieht, β-Teilchen müssen also eine negative Ladung haben. Frage 5 Welchen Einfluss hat der Abstand der Magnete auf die Ablenkung der β-Strahlen? Erkläre die Beobachtung. - 17 - Wenn der Abstand der Ablenkungsmagente verringert wird, erhöht sich die magnetische Flussdichte, d.h. die Stärke des magnetischen Feldes im Raum zwischen den Magneten; dadurch werden die β-Teilchen stärker abgelenkt. - 18 -
