Der atomare Zoo

Exponate zur
Sonderausstellung
Der
atomare Zoo
7. Juli 2006 bis 19. August 2007
verlängert bis 25. Mai 2008
Atomphysik
Elementarladung: Das Elektrizitätsatom
Gibt es eine kleinste elektrische Ladung – sozusagen das «Atom» der
Elektrizität? Robert A. Millikan gelang 1906 mit geladenen Öltröpfchen
der Nachweis dieser kleinstmöglichen Ladung – der Elementarladung.
Zwischen einem Plattenkondensator zur Schwebe gebracht, konnte er
zunächst das Gewicht des Öltröpfchens bestimmen. Aus dem Gewicht und
der für den Schwebezustand nötigen Feldstärke liess sich für jedes Öltröpfchen eine Ladung bestimmen. Die so berechneten Ladungen konnten
jedoch nicht irgendeinen Wert annehmen, sondern waren jeweils ganzzahlige Vielfache der Elementarladung e. Für diese Entdeckung erhielt
Millikan 1923 den Nobelpreis.
Im Experiment wird zur Veranschaulichung die Ablenkung eines fallenden
geladenen Wassertropfens zwischen zwei Kondensatorplatten gezeigt.
Ein Atom – zehnmilliardenfach vergrössert!
Atome sind klein – sehr klein, wobei der Atomkern noch viel kleiner ist als
die ihn umgebende Hülle. Dieses Modell stellt eine zehnmilliardenfache
Vergrösserung dar. Dabei misst der Atomkern, dargestellt durch einen
Laserlichtpunkt, gerade mal 1⁄ 20 mm bei einem Meter Hüllendurchmesser!
Obwohl der Kern rund 50 000 mal kleiner ist als seine Elektronenhülle, enthält er 99.95% der ganzen Atommasse!
Atome verraten ihren Magnetismus (Zeeman-Effekt).
Ein angeregtes Natrium-Atom sendet normalerweise streng monochromatisches, also einfarbiges, Licht aus. Legt man jedoch ein äusseres Magnetfeld an, verändern sich die Energiezustände der Elektronen innerhalb des
Atoms, was zu verschiedenen, kaum beobachtbaren Wellenlängenverschiebungen des Lichtes führt. Nur mit einem Interferometer, wie bei diesem Versuch, können sie beobachtet werden.
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Atome kann man abtasten.
Eine Wanderung entlang den Gebirgszügen der Atome! Beim Rastertunnelmikroskop wird mit einer kleinen Spitze aus Platin-Iridium-Draht, die nur
wenige Atomdurchmesser misst, die Oberfläche einer Probe abgetastet.
Und dies berührungsfrei, da bereits bei geringem Abstand zwischen Probe
und Spitze ein kleiner Strom fliesst, welcher benutzt wird, um den Abstand
der Spitze zur Oberfläche konstant zu halten. So erhält man ein Oberflächenprofil.
Kurzlebige Myonen
Myonen verursachen beim Durchgang durch einen Block aus fluoreszierendem Kunststoff winzige Lichtblitze. Zerfällt ein Myon zufälligerweise in
diesem Block, blitzt es kurz darauf ein zweites Mal. Der zeitliche Abstand
zwischen diesen Blitzen ist ein Mass für die Lebensdauer des Myons, die
bei 2.2 Mikrosekunden liegt. Wenn Myonen in der Atmosphäre entstehen,
brauchen sie aber beinahe 80 Mikrosekunden, bis sie die Erdoberfläche erreichen! Wie kommt es, dass man sie hier unten detektieren kann, wenn
sie bloss 2.2 Mikrosekunden «leben»? Die Antwort liegt in der Relativität
der Zeit des fast lichtschnellen Myons!
Verdünnte Gase leiten den Strom.
Die seltsam schöne Leuchterscheinung innerhalb dieses vakuumierbaren
Glaskolbens entsteht, wenn freie Elektronen, beschleunigt durch das elektrische Feld, mit genügend hoher Geschwindigkeit auf die Gasmoleküle
treffen und ihnen so Energie zuführen. Erst bei geringem Druck haben die
Elektronen eine hinreichend grosse Beschleunigungsstrecke. Dadurch wird
das Gasgemisch leitend und beginnt zu leuchten.
Die grösste Plasmakugel der Welt! 1)
Fest, flüssig, gasförmig, dies sind die Aggregatszustände, wie wir sie kennen. 99% der sichtbaren Materie des Universums befinden sich jedoch im
vierten Aggregatszustand – dem Plasma. In einem Plasma sind die Atome
ionisiert. Das heisst: Elektronen haben sich ganz oder teilweise von den
Atomen getrennt und bewegen sich frei. Das Polarlicht, das Leuchten der
Sonne, Leuchtstoffröhren, Blitze, aber auch gewöhnliche Flammen sind
Plasmen.
An der weltweit grössten Plasmakugel lassen sich die Entladungsformen
mit der blossen Hand beeinflussen!
1) Plasma Sphere by Bill Parker
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Kernphysik
Teilchen-Spuren im Nebel
Schon mal ein Myon gesehen? Nun, sehen kann man die elektrisch geladenen Teilchen in der Diffusions-Nebelkammer zwar nicht direkt, doch
immerhin hinterlassen Alpha- und Beta-Teilchen, Protonen, Myonen,
Elektronen und Positronen ihre Spuren in Form eines deutlich sichtbaren
Kondensations-Streifens. Die durchfliegenden Teilchen ionisieren längs
ihrer Bahn die Luft, an den verbleibenden Ionen kondensiert sich dann der
übersättigte Alkoholdampf. Schöner könnte ein Teilchen-Zoo nicht sein!
Das Myonen-Teleskop
Das Myon ist ein instabiles Elementarteilchen, das dem Elektron gleicht, jedoch eine deutlich höhere Masse aufweist. Es entsteht durch die Kollision
kosmischer Strahlung mit unserer Atmosphäre. Beim Durchqueren von
zwei Szintillationsplatten aus speziellem Kunststoff erzeugen die Myonen
in beiden Platten einen kurzen Lichtblitz. Wenn in beiden Platten im gleichen Bruchteil einer Mikrosekunde ein Zählimpuls registriert wird, darf
man annehmen, er stamme vom gleichen Teilchen. Damit ist auch die ungefähre Richtung bestimmt, aus der das Myon gekommen sein muss.
Gefügige Kathodenstrahlen
Atomphysik im Wohnzimmer! Fast 100 Jahre lang diente die Fernsehröhre
als bildgebendes Verfahren. Bereits Thomas Edison – der Erfinder der Glühlampe – entdeckte 1883 die Glühemission, d.h. dass glühende Metalle
Elektronen aussenden. Erst Anfang des 20. Jh. erkannte man, dass Elektronen und Betastrahlung das Gleiche ist. Mit einem einfachen Dauermagneten lässt sich der Elektronenstrahl nach Belieben ablenken.
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Radioaktivität – überall
Tagtäglich sind wir von natürlichen radioaktiven Quellen umgeben. An dieser Station können verschiedene natürliche Stoffe auf ihre Radioaktivität
geprüft werden. Kaum zu glauben, dass der menschliche Körper beinahe
1⁄ 6 der jährlichen Strahlendosis über das unentbehrliche Kalium aufnimmt!
Ebenfalls verblüffend: Der stärkste Strahler, mit dem die Besucher(innnen)
in dieser Ausstellung in Berührung kommen, ist uranhaltiges Gestein aus
dem Tessin.
So kam Rutherford auf den Kern.
Dieses historisch wichtige Experiment macht den Aufprall von Alphastrahlen sichtbar! Trifft ein Alphateilchen auf eine dünne Zink-Sulfid-Schicht,
entsteht ein schwacher Lichtblitz. Dieser ist durch das Mikroskop beobachtbar, allerdings braucht es einige Minuten, bis sich die Augen an die
Dunkelheit gewöhnt haben!
Alphateilchen lassen Funken springen.
Ionisierende Strahlung von Alphateilchen (= Heliumkerne) aus einer Americium-Quelle macht die Luft elektrisch leitfähig. Gelangen die Strahlen auf
ein Hochspannungsgitter, springen dort Funken über. Doch bereits ein
Zeitungspapier zwischen Quelle und Gitter schirmt die Strahlung ab, sodass es zu keinen Funkenüberschlägen mehr kommt.
Atomkerne sind schwer zu treffen.
Nachdem J.J. Thomson um 1896 das Elektron entdeckt hatte, glaubte
man, dass sich Elektronen und Protonen in einem Atom (ähnlich wie in
einem Pudding) gleichmässig verteilten. 1909 beobachtete E. Rutherford
jedoch, dass beim Beschuss einer dünnen Goldfolie mit Alphateilchen
(= Heliumkerne), eines von 8000 Teilchen in seiner Richtung stark abgelenkt wird. Dies lässt sich nur damit erklären, dass alle schweren positiven
Ladungsträger (Protonen) des Atoms sich auf einen unglaublich kleinen
Raum im Atomkern konzentrieren. Kommt ein Alphateilchen (ebenfalls
positiv geladen) einem (positiven) Atomkern sehr nahe, wird es durch die
abstossende Wirkung stark abgelenkt, manchmal sogar rückwärts geschleudert.
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Kernphysik
Warum Teilchenbeschleuniger gigantisch sind.
Alphateilchen (Helium-Kerne) sind im Vergleich zu Elektronen schwer –
7200 mal schwerer. In unserem Versuch zwingt ein beachtlich starker Magnet das Alphateilchen auf eine gekrümmte Bahn, welche fortgeführt einen
Durchmesser von 1.2 Meter hätte. Im Gegensatz zu diesem Experiment ist
die Teilchenenergie in Beschleunigern wie am CERN millionenfach höher!
Nur dank supraleitender Magnete und 10 000 mal grösseren Kreisen bleiben die Teilchen im Beschleuniger auf ihrer Bahn.
Wie bremst man schnelle Elektronen?
Betastrahlung entsteht beim Zerfall radioaktiver Kerne durch Aussenden
von Elektronen. Diese werden beim Durchgang durch Materie unterschiedlich stark abgebremst bzw. absorbiert. Mehrere Stoffe wie Holz,
Leder, Plexiglas, Metall usw. lassen sich auf ihre Absorptionsfähigkeit
untersuchen.
Elektronen und Antielektronen im Magnetfeld
Unterschiedlicher könnten Zwillinge nicht sein! Eine radioaktive Probe sendet Elektronen aus, welche durch einen Magneten abgelenkt werden können. Eine andere Probe emittiert Positronen, Antiteilchen des Elektrons.
Mit demselben Magneten werden sie in die andere Richtung abgelenkt.
Wenn Materie auf Antimaterie trifft.
Begegnet ein Elektron (Materie-Teilchen) seinem Gegenstück, dem Positron (Antimaterie-Teilchen), lösen sich beide schlagartig auf. Die dabei entstehende Energie in Form von Gammastrahlung entspricht exakt den verschwundenen Massen (E = mc2) und strahlt in genau entgegengesetzter
Richtung ab. Die Anzahl dieser «Vernichtungen» (Annihilationen) kann
man messen, indem man mit zwei einander gegenüberliegenden Detektoren gleichzeitig eintreffende Gamma-Impulse zählt. Der PositronenEmissions-Tomograph (PET), ein bildgebendes Verfahren in der Medizin,
funktioniert nach diesem Prinzip.
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Harte Gamma-Quanten
Gammastrahlen sind wie die Röntgenstrahlen durchdringend. Zum Abschirmen benötigt man bedeutend dickere Schichten als bei Alpha- oder
Beta-Strahlen. Materialien, die chemische Stoffe mit hoher Ordnungszahl
enthalten (z.B. Blei), sind besonders zur Abschirmung geeignet.
Atomkerne hinterlassen ihren Fingerabdruck.
Mit Hilfe eines Germaniumkristalles können Gammastrahler aus der Umgebung detektiert werden. Solche Geräte wurden nach dem Unglück von
Tschernobyl zur Identifizierung radioaktiver Strahlung nicht natürlichen
Ursprungs in der Schweiz eingesetzt.
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Kernphysik
Halbwertszeit: Zufall und doch Gesetz
Wann genau ein bestimmter Atomkern einer Probe zerfällt, kann niemand
mit Sicherheit sagen! Doch lassen sich Wahrscheinlichkeiten angeben,
innerhalb welcher Zeitspanne die Hälfte der Probe «zerfallen» müsste. Bei
diesem Experiment wird der Zerfallsverlauf von Radon 220, welches eine
Halbwertszeit von 55 sec besitzt, gemessen. Jede Anzeigesäule zeigt die
Anzahl der zerfallenen Kerne innerhalb von 15 sec an. Nach ca. einer
Minute wird sich die Anzahl halbiert haben, nach zwei Minuten wird noch
ein Viertel gemessen, usw.
Röntgenquanten absorbiert und gestreut
Unterschiedliche Materialien lassen sich hier auf ihre Absorptions- und
Streuungseigenschaften von Röntgenstrahlen untersuchen. Je höher die
Ordnungszahl eines chemischen Elementes, desto besser ist die Absorptionsfähigkeit. Calcium (Z=20) absorbiert viel stärker als Wasserstoff (Z=1)
und Kohlenstoff (Z=6). Deswegen unterscheiden sich auf dem Röntgenbild
Knochen gut von Weichgewebe. Neben Absorption durch Photoeffekt
kommt es beim Auftreffen von Röntgenstrahlung auf Materie in vermindertem Mass auch zur Streuung (Comptoneffekt). Ein Photon wird hier
nicht vollständig absorbiert, sondern breitet sich mit geringerer Energie als
vorher in einer anderen Richtung aus. Es wird also gestreut.
Mit Röntgenstrahlung testen
Mittels Röntgenstrahlen lassen sich chemische Zusammensetzungen analysieren. Die Strahlung schlägt gebundene Elektronen aus der Probe, wodurch Elektronen aus höheren Energieniveaus nachrutschen können.
Dabei wird Röntgenstrahlung mit präziser Energie freigesetzt. Die Fluoreszenzlinien sind elementspezifisch, da jedes Element andere Bindungsenergien der Elektronen besitzt und somit beim Nachrutschen der Elektronen
andere Energiedifferenzen frei werden.
Dieses Experiment wird von Betreuern vorgeführt.
Neutronen im Strassenbau
Neutronen ermöglichen die Untersuchung dicker Materialschichten, ohne
das Objekt zu beschädigen! Neutronen werden hauptsächlich von Wasserstoff-Atomen abgebremst, weil diese annähernd gleiche Massen wie
die Neutronen besitzen. Die Zahl der abgebremsten Neutronen entspricht
dem Wasser(stoff)-Gehalt einer Probe. Mit einer Neutronensonde werden
verschiedene Materialien wie Wasser, Erde, Holz oder Paraffin auf ihren
«Feuchtigkeitsgehalt» untersucht. Zusätzlich zeigen die Betreuer bei einer
Vorführung, dass Neutronen Silber radioaktiv machen.
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Im Tal der Isotopen
Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl ihrer Protonen. Von jedem
Element gibt es mehrere Isotope, die sich in ihrer Neutronenzahl, und dadurch ihrer Masse, unterscheiden. Ca. 3000 Isotope sind bekannt, die wenigsten jedoch sind stabil. Diese Computerstation ist eine interaktive Nuklidkarte, an der Isotope virtuell zusammengebaut und verändert werden
können. Zudem lassen sich die Folgeprodukte des radioaktiven Zerfalls
identifizieren.
Fachbegriffe kurz und bündig
Ist Ihr persönlicher Teilchenzoo mit Myonen, Mesonen, Bosonen, Neutronen, Photonen, Protonen, Neutrinos oder etwa gar Protrinos durcheinandergekommen? Was war schon wieder der Unterschied zwischen
Alpha- und Betastrahlung? Kein Problem, die Computerstation mit den
wichtigsten Definitionen und Erklärungen aller Begriffe hilft Ihnen schnell
und leicht auf die Sprünge.
Atomkerne als Mini-Magnete
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Häufig besitzen sie
einen Eigendrehimpuls (Spin), was dem Atomkern ein magnetisches
Moment verleiht. Insofern kann ein Atomkern vom Standpunkt der klassischen Physik aus vereinfacht als ein magnetischer Kreisel angesehen
werden.
Durch äussere Magnetfelder kann der Kern zu einer Taumelbewegung
(Präzession) angeregt werden, welche für jede Kernsorte charakteristisch
ist. Dieses charakteristische Schwingungsverhalten macht man sich bei der
chemischen Strukturanalyse oder der Kernspintomographie zunutze. In
diesem Experiment stellt eine schwarz-weiss segmentierte Kugel modellhaft die Präzessionsbewegungen eines Protons dar.
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Kernphysik
Wenn überschwerer Wasserstoff leuchtet.
Nicht sehr hell, dafür aber jahrzehntelang leuchten Tritiumgaslichtquellen
ohne äussere Energiezufuhr. Sie werden v.a. für Notfallbeleuchtungen von
Schildern, für Zifferblätter und Zeiger von Uhren verwendet. Dabei gibt das
leicht radioaktive Tritium Betastrahlung ab, welche eine Phosphor-Schicht
zum Leuchten anregt. Heute wird in Armbanduhren jedoch meistens ein
nichtradioaktives Leuchtmittel verwendet.
So zertrümmert man Atomkerne.
Teilchenbeschleuniger dienen der Grundlagenforschung. Man erhofft sich
neue Erkenntnisse über spezielle Teilchen (wie das Higgs Boson), Energien
(etwa dunkle Energie) oder Materie (z.B. dunkle Materie), aber auch über
Fragen wie: «Warum haben Teilchen überhaupt eine Masse?». Am CERN
in Genf entsteht zurzeit der weltgrösste Teilchenbeschleuniger (Large Hadron Collider). Das stark vereinfachte Modell eines Teilchenbeschleunigers
beschleunigt eine Stahlkugel in mehreren Stufen und lässt sie modellhaft
auf Plastikkugeln krachen.
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Die erklärenden Texte an den Exponaten sind in zwei Ebenen gegliedert:
• Zunächst und direkt im Blickfeld eine knappe Beschreibung, worum es beim Versuch überhaupt geht,
dann gleich Punkt für Punkt und unterstützt durch eine Darstellung, was zu tun und zu beachten ist.
• Wer mehr wissen möchte, findet ebenfalls beim Exponat einen separaten Text mit vertiefenden,
aber immer noch allgemein verständlichen und illustrierten Erklärungen.
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