elektr. und magnet. Feld A 7 (1)

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1 FachHochschule Lausitz Physikalisches Praktikum α- ud β-strahlug im elektr. ud maget. Feld A 7 Name: Matrikel: Datum: Ziel des Versuches Das Verhalte vo α- ud β-strahlug im elektrische ud magetische Feld wird utersucht. Aus de gefudee Zusammehäge ist auf die Eigeschafte dieser Strahlug zu schließe. 2 Grudlage 2. Radioaktive Strahlug Nebe stabile Atomkere trete i der Natur auch Atomkere auf, die ohe äußere Eifluss uter Emissio radioaktiver Strahlug spota zerfalle. Die am häufigste auftretede Strahlugsarte sid α-, β- ud γ-strahlug. Bei der α-strahlug emittiert der Atomker X eie He-Ker (α-teilche) ud wadelt sich damit i de Tochterker Y um (A: Massezahl, Z: Kerladugszahl): A Z 4 X Y+ He A 4 Z 2 2 () Da Mutter ud Tochterkere ur diskrete Eergie aehme köe, habe auch die α- Teilche ur diskrete kietische Eergie, die typisch zwische 2 ud 0MeV liege (ev=, J). β-strahlug besteht aus schelle Elektroe, die beim Zerfall eies Neutros des Atomkers etstehe. Bei jedem Zerfall etstehe ebe eiem Elektro ud eiem Proto och ei Atieutrio: A Z A X Z + Y + e + ν (2) Die frei werdede kietische Eergie ka sich auf das Elektro ud auf das Atieutrio ν verteile. Demzufolge besitzt die β-strahlug ei kotiuierliches Eergiespektrum mit eier bestimmte Maximaleergie, die i der gleiche Größeordug wie die Eergie der α- Strahle liegt. Oft bleibt der Tochterker ach eiem α- oder β-zerfall zuächst i eiem ageregte Zustad zurück ud gibt seie Eergie mehr oder weiger verzögert als eergiereiches Photo (Gammaquat) ab: A A Z + Y Z + Y + hf h= 6, Js : Placksches Wirkugsquatum (3) f: dem Photo zugeordete Frequez Wie bei der Gammastrahlug hadelt es sich auch bei der Rötgestrahlug um elektromagetische Strahlug. Die Uterscheidug zwische beide Strahlugsarte beruht lediglich auf der uterschiedliche Herkuft der beide Strahlugsarte. Rötgestrahlug etsteht i de iere Schale der Atomhülle, Gammastrahlug higege im Atomker. Auch im elektromagetische Spektrum köe sie icht scharf gegeeiader abgegrezt werde. Bei Rötgestrahlug liege die Photoeergie etwa zwische kev ud 0,5MeV. Gammastrahlug besitzt Photoeeergie vo typisch etwa 0,MeV bis 5MeV.

2 2 2.2 Wechselwirkug vo elektrische ud magetische Felder mit α- ud β-teilche Im Versuch werde acheiader α- ud β-strahlequelle i eie hochevakuierte Kammer eigesetzt. I dieser befidet sich ei Plattekodesator, die Kammer ist im Magetspalt eies Elektromagete agebracht. I der Zählrate, die ach dem Kammerdurchgag registriert wird, ist der Eifluss vo elektrischem ud magetischem Feld achweisbar. Elektrisch geladee Teilche erfahre i elektrische ud magetische Felder Kräfte ud werde dadurch vo ihrer Bah abgelekt. Die Größe der Ablekug hägt vo der Ladug Q, der Masse m, der Geschwidigkeit v der Teilche ud vo der Feldstärke E ab. Kraft im elektrische Feld E (Coulomb-Kraft): = QE (4) F el Das elektrische Feld i eiem Plattekodesator beträgt agelegte Spaug) ud somit E = U d (d: Platteabstad, U: U F el = Q d (5) Die Kraft im magetische Feld B der Flussdichte (Loretzkraft) ist: F L = Qv B (6) 2.3 Nachweis ioisiereder Strahlug Mit eiem Geiger-Müller-Zählrohr ist der Nachweis eizeler ioisiereder Teilche möglich. Es besteht aus eiem Metallzylider, i dem isoliert ei düer Draht gespat ist. Zwische de Draht ud das Gehäuse wird eie Spaug vo eiige hudert bis taused Volt gelegt, so dass der Draht positiv gegeüber dem Gehäuse ist. Das Zählrohr ist mit eiem Gas (z.b. Argo) vo etwa 00mbar Druck gefüllt. A eiem Ede des Rohres befidet sich ei sehr dües Fester, Bild: Schaltug des GM-Zählrohres durch das die Strahlug eitrete ka. Durch eidrigede Strahlug werde eiige Gasatome ioisiert. Wege der große Feldstärke i Drahtähe tritt jedoch zusätzlich Stoßioisatio auf d.h. die freigesetzte Elektroe werde beschleuigt, stoße mit adere Gasteilche ud setze dabei weitere Elektroe ud Ioe frei. Dadurch wird eie gaze Lawie euer Ioe gebildet, die sich lägs des Drahtes ausbreitet. Durch diese Verstärkug, die je ach Zählrohrspaug eiige Zeherpoteze beträgt, etsteht ei Stromstoß durch de hochohmige Widerstad R. Der Spaugsabfall a R ka über eie geeigete Elektroik (Verstärker, Zähler, Lautsprecher) registriert werde. Wege der gleichzeitige Vermiderug der Zählrohrspaug reicht die Feldstärke i Drahtähe für weitere Stoßioisatioe icht mehr aus, ud die gezüdete Gasetladug verlöscht wieder. Währed der Etladug spricht das Zählrohr auf weitere ioisierede Teilche icht a. Diese Totzeit des Zählrohres ka verrigert werde, idem ma dem Füllgas eie gerige Mege Dampf mehratomiger Moleküle (z.b. Alkohol) zugibt.

3 3 Zählrate Bei gegebeer Itesität der ioisierede Spaug hägt die mit dem Zählrohr gemessee Zählrate vo der U E U Betriebsspaug ab. Bild2 zeigt de charakteristische Verlauf dieser Keliie eies Zählrohres. Uterhalb der Eisatzspaug U E ka eie Etladug ausgelöst werde. Sobald die Betriebsspaug U E übersteigt, wächst die Zählrate aäherd liear zur Spaug a. Im sich Bild2: Keliie eies Zählrohres aschließede Plateaubereich ist die Zählrate uabhägig vo der Spaug, da jedes eifallede Teilche eie Ioelawie auslöst. I diesem Bereich wird das Zählrohr üblicherweise betriebe. Bei weiterer Erhöhug der Spaug züdet eie selbstädige Gasetladug, die das Zählrohr zerstört. 2.4 Statistische Auswertug vo Zählergebisse Zum Verstädis der folgede Betrachtuge ist es uumgäglich, Kapitel5 der Eiführug i die Probleme des physikalische Praktikums bearbeitet zu habe. Praktisch alle diskrete Zählergebisse bei Messuge der Radioaktivität uterliege icht der Gauß- ud der Studet-Verteilug, die i der Eiführug... ausführlich beschriebe werde, soder der Poissoverteilug mit eiem Mittelwert (Erwartugswert) : p 2! ( ) = exp( ) (7) Bild3 zeigt das Histogramm eier Poissoverteilug für = 5. p() gibt die relative Häufigkeit a, Impulse im Zählrohr zu registriere. 0,20 p() 0,6 0,2 Die Poissoverteilug hat die Eigeschaft, dass bei ihr Erwartugswert ud Variaz s 2 übereistimme s =. (8) 0,08 Bei viele Ereigisse ( > 0 ) geht die Poissoverteilug i 0,04 die Gaußverteilug mit diesem approximierte Erwartugswert 0,00 über, wobei (8) äherugsweise erhalte bleibt. Da lie ge ca. 68% aller Messwerte i der eifache bzw. 95% ierhalb der doppelte Stadardab- Bild3: Histogramm eier Poissoverteilug weichug um diese Mittelwert. Es ist daher zu erwarte, dass bei eier Eizelmessug vo Ereigisse (ierhalb eier beliebige Messzeit) der ubekate Mittelwert mit eier Wahrscheilichkeit vo 68% ierhalb des Itervalls (, + ) liegt. Für das Messergebis eies durch eie eizige Messug bestimmte Mittelwertes schreibt ma: = ± (9)

4 4 Die relative Abweichug ( ) Ereigisse ab: ( ) u = bei (9) immt mit wachseder Azahl der gemessee u = (0) Werde k Eizelmessuge mit de Ergebisse i (i =,...,k) durchgeführt, ka der Mittelwert als Ergebis agegebe werde: = k () k i i= Die relative Abweichug dieses Mittelwertes wird u icht durch die Stadardabweichug der Eizelmessug bestimmt, soder ausschließlich vo der Gesamtzahl der registrierte Zählereigisse: ( ) u = i= i (2) Soll beispielsweise eie relative Abweichug vo 0% erreicht werde, so müsse isgesamt 00 Ereigisse gezählt werde. Dabei spielt es keie Rolle, ob dies i mehrere Eizelexperimete oder i eiem eizige Experimet geschieht. 3 Versuch 3. Verwedete Geräte Trasformator mit Aufbausatz Ablekkammer, Vakuumpumpe, Hochspaugsetzgerät, Kleispaugsstelltrafo, Laboretzgerät, Digitalzähler, Stoppuhr, Multimeter, Teslameter, Zählrohr, Am-24-Präparat (Americium), Sr-90-Präparat (Strotium) 3.2 Aufgabestellug.Aufgabe: Als Vorversuch ist die Stärke des Magetfeldes i Abhägigkeit vom Spulestrom aufzuehme ud grafisch B = f(i) darzustelle. 2.Aufgabe: Die Zählrate des α- ud des β-strahlers sid i Abhägigkeit a) vo der Kodesatorspaug ud b) vom Magetfeld zu bestimme ud grafisch darzustelle. Die etspreched Abschitt 2.4 bestimmte Abweichuge sid i diesem Diagramme zu verwede. Zur Bestimmug des Magetfeldes aus dem Spulestrom ist die i Aufgabe aufgeommee Kalibrierkurve zu verwede. 3.Aufgabe:

5 I der Auswertug eier ormierte Darstellug N ( U ) N( ) = f ( U ) N ( B) N( ) = f ( B) 5 0 bzw. 0 (Darstellug i jeweils eiem Diagramm) sid folgede Frage zu beatworte: a) Welche der beide Strahlearte erfährt eie stärkere Beeiflussug ud was köe Ursache dafür sei? b) Gibt es Uterschiede i der Wirkug zwische elektrischem ud magetischem Feld? Die i Aufgabe2 ermittelte Abweichuge sid als relative Abweichuge i die Diagramme zu überehme ud bei der Diskussio der Ergebisse mit zu betrachte. 3.3 Hiweise zur Versuchsdurchführug Die vorgefudee Istallatio ist mit dem Versuchsaufbau ach Bild4 zu vergleiche. Der α- Strahler ist bereits zu Versuchsbegi i der Ablekkammer. Zur.Aufgabe: - Ablekkammer im beschaltete Zustad vorsichtig aus dem Magetspalt drehe. - Tagetialfeldsode des Teslameters so i de Magetspalt eibrige, daß die Spitze mittig zwische de Polspalte steht. - Bestimmug der Flußdichte B i Abhägigkeit vom Magetstrom I, dazu de Magetstrom i Schritte vo 0,5A im Bereich 0 bis 6A eistelle ud jeweilige Flußdichte am Teslameter ablese. Bild4: Versuchsaufbau Grafische Darstellug der Meßergebisse etspreched Aufgabestellug. Zur 2.Aufgabe: - Ablekkammer wie am Afag wieder i de Magetspalt brige, Schutzkappe vo Zählrohr ud Ablekkammer etfere, Zählrohr mit Kotakt zur Ablekkammer befestige. - Daach ist die Vakuumpumpe i Betrieb zu ehme: - Schließe des Lüftugsvetils (b), - Öffe des Kugelhahes (a) - Aschalte a Netzschalter. - Das otwedige Vakuum (Druck < mbar) ist erst ach ca.5mi erreicht Vakuumpumpe bleibt währed der gesamte Messug i Betrieb!

6 6 - Bei Spulestrom I = 0 Zählrate bei Kodesatorspaug U i Schritte vo 0,5kV im Bereich U = 0 bis U = 3kV aufehme. - - Bestimmug der Zählrate aus der Zählug der Ereigisse pro 20s (Stoppuhr, Zählgerät mit Hadschaltug). Bei Gasetladug i der Kammer ud Rückgag der Spaugsazeige Hochspaug sofort abschalte ud für ausreichedes Vakuum sorge. - Daach Messug der Zählrate wie obe bei U = 0 ud Variatio vo I i A-Schritte vo I =0 bis I = 6A. Wechsel des Präparates durch Laborpersoal! - Für das β-präparat sid die Zählratemessug bei Variatio der Kodesatorspaug i gleicher Weise zu durchzuführe. - Bei der Variatio des Spulestromes ist zur Magetstromversorgug ei bereitgestelltes stabilisiertes Netzgerät zu verwede ud der Strom i 0,A-Schritte im Bereich vo I = 0 bis I = 0,6A zu variiere. Darstellug ud Auswertug der Meßergebisse etspreched Aufgabestellug. Zur 3.Aufgabe: Normierug der Zählrate bedeutet: Zählrate bei Spaugs - bzw.stromwert Zählrate bei 0 Bei der Eitragug der Abweichuge i die laut Aufgabestellug zu erstellede Diagramme Eifluß der Normierug beachte!

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