Unterrichtsmaterialien zum Thema Astroteilchenphysik

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Siegfried Keller
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Unterrichtsmaterialien zum Thema Astroteilchenphysik Die Idee ist, einen roten Faden durch das Thema Astroteilchenphysik zu entwickeln und entsprechendes Material anzubieten, der mit realistischen

1 Unterrichtsmaterialien zum Thema Astroteilchenphysik Die Idee ist, einen roten Faden durch das Thema Astroteilchenphysik zu entwickeln und entsprechendes Material anzubieten, der mit realistischen Randbedingungen einer Vielzahl von Lehrkräften den Einsatz in der Sek II ermöglicht, d.h. unabhängig vom Bundesland damit auch weitestgehend unabhängig vom Rahmenlehrplan aufbauend und ansetzend an Bekanntes keine langen Unterrichtsreihen Zusätzlich zum roten Faden werden immer wieder Fenster angeboten (in Blau), die ausführlichere Behandlungen einzelner Themen ermöglichen, aber nicht erforderlich sind. Diese Fenster können z.b. auch als Themen für Referate dienen. An einigen Stellen werden Beispiele für unterschiedliche Methoden gegeben (in Grün). In Rot sind Baustellen gekennzeichnet, an denen noch gearbeitet wird. Voraussetzungen Folgende Themen sollten den Jugendlichen bereits aus früheren Unterrichtseinheiten bekannt sein: Grundlagen der Radioaktivität speziell Teilchen in Feldern (dazu mögliche Wiederholung: auf Leifi bewegte Ladung in Feldern) die Zerfallsgesetze Einstieg Das Thema kann mit der Nebelkammer begonnen werden, entweder direkt als Anknüpfung an das Thema Radioaktivität oder als sinnvolle Wiederholung des Themas. Hinweis zum Bau oder Beschaffen von Nebelkammern ( Fenster Wie funktioniert eine Nebelkammer? Wie funktionieren Detektoren? Photomultiplier -> Photoeffekt,

2 Szintillatoren (Ionisierung) -> Anregung von Atomen, Kamiokannen (Cherenkov-Effekt) -> elektr. Dipol, Brechung von Licht, Machscher Kegel) Baustelle: eventuell Material aus anderer Arbeitsgruppe Teilchenquiz Es werden Nebelkammer-Aufnahmen gezeigt und damit wiederholt, welche Teilchen welche Eigenschaften haben (Wiederholung von Lorentz-Kraft, Zentripetalkraft). mögliches Material: Tutorial zu Blasenkammer Grafik: Ablenkung ionisierender Strahlung im Magnetfeld einer Nebelkammer Baustelle: Serie von Nebelkammeraufnahmen (im Magnetfeld): Elektron, Positron, alpha-teilchen, Myon (erkennbare Krümmung), Myon-Zerfall Myon-Zerfall Bild vom Myon-Zerfall zeigen, z.b. Vermutung: Es handelt sich um ein neues Teilchen: es ist negativ geladen, hat eine Masse und ist instabil. Lehrerinfo: der Name des Teilchens ist Myon.

Woher kommt das Myon? Brainstorming: Wie könnte man das nachweisen?! Woher weiß man, dass es keine der bekannten Teilchen sondern Myonen sind, die detektiert werden? 1.

3 Woher kommt das Myon? Brainstorming: Wie könnte man das nachweisen?! Woher weiß man, dass es keine der bekannten Teilchen sondern Myonen sind, die detektiert werden? 1. Möglichkeit: durch Experimentieren geeignet: Koinzidenz-Messung mit Szintillationszähler-Experiment (siehe dazu Angebote zur Astroteilchenphysik im Netzwerk Teilchenwelt) Versuchsaufbau: Quelle: DESY 2. Möglichkeit: vorhandene Daten nutzen Baustelle: Datensätze zur Verfügung stellen Erklärung: aus Radioaktivität sind alpha- und beta-teilchen bekannt und man weiß, dass diese nicht durch 2 Platten hindurchgehen würden, daher muss es ein uns bisher unbekanntes Teilchen sein, das Myon. Aufgabe: Richtung und Orientierung der einfallenden Teilchen bestimmen. Geschwindigkeit v der Teilchen bestimmen. Ergebnis: die meisten kommen von oben Baustelle: schönes Foto von Messaufbau mit CosMO-Experiment und animierte Grafik, bei der Myon aus unterschiedlichen Richtungen durch Platten läuft Fenster Historie zur Entdeckung der kosmischen Strahlung Material: Artikel im Physik Journal (dt.), Broschüre (engl.)

4 Zerfallskurve des Myons Wie kann ich mit den Detektoren zeigen, dass es Myonen-Zerfälle sind? Wie kann ich das Experiment verändern? Ansatz: Messaufbau mit 3 Szintillator-Platten Woran erkenne ich den Zerfall aus den Messdaten? Fall A und D sind nicht unterscheidbar, Fall B könnten auch andere Teilchen sein, z.b. ein Elektron. Unsere Messungen beschränken sich daher nur auf Fall C. Das ruhende Myon in Platte 2 wird beobachtet. Die Zeitmessung beginnt mit dem Signal des Myons in Platte 2 zum Zeitpunkt t 0. Zerfällt das ruhende Myon, entsteht

5 ein Elektron. Dieses Elektron erzeugt in Platte 2 ein zweites Signal, welches den Zerfall des Myons anzeigt und die Zeitmessung beendet zum Zeitpunkt t e. Der Versuch wird über mehrere Tage durchgeführt, um eine ausreichende Anzahl an Myonen-Zerfällen zu messen. Die Daten werden in einem Diagramm folgender Art dargestellt und eine passende Exponentialfunktion hineingelegt (exponentielle Regression). Anzahl Myonen N(t) mit t= t e -t 0 Fenster Myon-Experiment am CERN

6 Lebensdauer Die aus dem Experiment erhaltene Funktion beschreibt die Zerfallskurve. Daraus ergibt sich die Zerfallskonstante λ. An dieser Stelle ist die Halbwertszeit T 1/2 nicht interessant sondern die mittlere Lebensdauer τ. Es gilt: τ=1/ λ Definition siehe auch Fenster: Herleitung

Wo entstehen die Teilchen? Ort der Entstehung bestimmen über v=s/t, also s=vτ=~600m Lehrerinfo: Wo entstehen die Myonen Quelle: Netzwerk Teilchenwelt, http://www.teilchenwelt.

7 Wo entstehen die Teilchen? Ort der Entstehung bestimmen über v=s/t, also s=vτ=~600m Lehrerinfo: Wo entstehen die Myonen Quelle: Netzwerk Teilchenwelt, Begriffe primäre und sekundäre Strahlung werden eingeführt. Entstehung der Myonen in ca. 10 km Höhe, das steht im Widerspruch zu s=600m

8 Relativitätstheorie Lehrerinfo: Es handelt sich um Zeitdilatation (Längenkontraktion?) Mitteilung der Formel Fenster Herleitung der Zeitdilatation Baustelle: derzeit in Arbeit Ausblick zur kosmischen Strahlung Lehrerinfo: Es gibt mehr als das Myon! Film: The fantastic voyage of Nino the neutrino Arbeitsauftrag 1) für alle: Welche Teilchen gibt es am Anfang (primäre) und welche entstehen daraus (sekundäre)? 2) Beschreibe die Wechselwirkungen und Zerfälle aller Teilchen in dem Film (als Hausaufgabe oder arbeitsteilig im Unterricht) Baustelle: Fenster: Quellen der kosmischen Strahlung Baustelle: Fenster: aktuelle Forschung der Astroteilchenphysik (Grand Sasso, IceCube, Auger) Weitere Aufgaben: Eventuell über Datensätze, etc. Facharbeiten, Referate vergeben

9 todos Serie von Nebelkammeraufnahmen (im Magnetfeld): Elektron, Positron, alpha- Teilchen, Myon (erkennbare Krümmung), Myonzerfall Datensätze zur Verfügung stellen: Richtungs/Orientierungs/Geschwindigkeits- Messung sowie Lebensdauer-Messung (inkl. Funktion) Foto/Grafik/Animation/Film zum CosMO-Experiment wird bereitgestellt Fenster: Quellen der kosmischen Strahlung Fenster: aktuelle Forschung der Astroteilchenphysik (Grand Sasso, IceCube, Auger)

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