Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2010/2011 - Physik 13PH3g

Kernphysik

• Wiederholung zum Grundaufbau eines Atoms
• Nebelkammer, Funktionsweise einer Nebelkammer, Nebelkammeraufnahmen

• Referat zum Thema Helium-Neon-Laser (siehe auch Uni Göttingen , Lernsoftware)
• Weitere Nachweisgeräte für Radioaktivität: Geiger-Müller-Zählrohr und Ionisationskammer

• α-, β- und γ-Strahlung
• Abschirmung vor radioaktiver Strahlung

• Gamma-Spektroskopie (sehr gut bei Leifi erklärt)
  
  Die Gamma-Strahlen treten von links kommend in den lichtdicht und verspiegelt abgeschlossenen Natriumjodid-Detektor.
  Durch Fotoeffekt und Comptoneffekt werden Photonen erzeugt, die im Photomultiplier (=Lichtverstärker) im rechten schwarz ummantelten Bereich elektrisch verstärkt werden (Fotoeffekt mit anschließender proportionaler Vervielfachung der Elektronenzahl durch eine Kaskade von Elektroden).
  Mit einem Vielkanalanalysator kann dann das Energiespektrum dargestellt werden.
  
  Der Photopeak gibt die Energie an, die die Photonen erhalten, die durch Fotoeffekt von Gammateilchen mit Elektronen erzeugt werden.
  Führen die Gammateilchen Comptoneffekt aus, so können dabei alle Fotoenergien bis zur Comptonkante entstehen (beim Comptoneffekt ist die Abgabe von Energie begrenzt).
  Der Rückstreupeak ergibt sich aus Photonen, die beim Comptoneffekt von den reflektierenden Wänden zurückgespiegelt werden.
• α-Spektroskopie mit Halbleiter-Detektor
  
   
  α-Teilchen geben ihre Energie in Halbleiterdetektoren ab (siehe Link).
  Je nach Energie der α-Teilchen werden dabei elektrische Pulse mit unterschiedlicher Höhe erzeugt, die im Vielkanalanalysator nach Energie sortiert und gezählt werden
  Beispiele für das α-Energie-Spektrum von Plutonium:
  
  Man sieht, dass Plutonium α-Strahlen mit zwei unterschiedlichen Energien aussendet (2 Peaks rechts im Bereich der Kanäle um 200, links ist ein Untergrund-Peak zu sehen, der durch die Beleuchtung verursacht wird).
  Ändert man den Abstand der α-Quelle vom Halbleiterdetektor, so nimmt die Energie der α-Teilchen ab (rote Kurve), da sie beim Durchgang durch die Luft Energie verlieren:
   

• Allgemeines Zerfallsgesetz
  Bei Abnahmeprozessen, deren Zerfall zufällig erfolgt, kann man den Zerfall durch eine Exponenzialfunktion beschreiben.
  Der radioaktive Zerfall ist ein solcher Zerfall.
  Man kann nicht vorhersagen, wann ein radiaktives Teilchen zerfällt. Es gibt keine Ursache für den Zerfall zu einem bestimmten Zeitpunkt.
  Allerdings erfolgt der Zerfall für viele gleichartige Teilchen nach statistischen Regeln.
• Herleitung der Exponenzialfunktion:
  Die Anzahl der in einer bestimmten Zeit Δt zerfallenen Teilchen ΔN ist proportional zum Zeitraum Δt und zur Menge N der zu Beginn vorhandenen Teilchen:
  mit einem konstanten Proportionalitätsfaktor k.
  Weitere Umformungen ergeben:
  
  Die Gleichung kann man als Differenzialgleichung mit der Funktion N(t) auffassen. Lösung dieser Differenzialgleichung:
  
  Zum Zeitpunkt t=0 gilt
  Nach der Zeit T_1/2 (Halbwertzeit) ist nur noch die Hälfte des radioaktiven Stoffs vorhanden. Daraus folgt:
  
  Die Zerfallsfunktion kann also mit der Halbwertzeit geschrieben werden als
• Wir haben zum Thema Zerfallsgesetz den Zerfall von Radon-Gas (genauer Radon-220) in der Ionisationskammer untersucht:
  
  Beim radioaktiven Zerfall werden durch die vom Radon ausgesandten alpha-Teilchen die Luftteilchen in der Ionisationskammer ionisiert.
  Die entstehenden geladenen Teilchen wandern zur Kammerwand und zur Elektrode in der Mitte der Kammer und erzeugen dadurch einen Stromfluss, der gemessen wird.
  Je mehr Teilchen pro Zeiteinheit zerfallen, desto größer ist die Stromstärke.
• Hier das Versuchsergebnis in der Cassy-Lab-Datei (zum Herunterladen "Speichern unter..." und dann mit Cassy-Lab öffnen):
  
  Zur Halbierung der Teilchenzahl ist immer dieselbe Zeitdifferenz notwendig.
  Der Versuch ergibt dafür etwa den Wert 65s. (Tabellenwert: 55,6s)
  Diese Zeitdifferenz nennt man Halbwertszeit, weil nach dieser Zeit immer nur noch die Hälfte des ursprünglichen Radons vorhanden ist.

• Wichtige Einheiten in der Kernphysik
• Aktivität A=ΔN/Δt  [A]=1/s=1Bq (Becquerel)
• Ionendosis D_I=ΔQ/Δm  [D_I]=1C/kg
• Energiedosis D_E=ΔE/Δm  [D_E]=1J/kg=1Gy (Gray)
• Äquivalentdosis Dq=q·D_E  [Dq]=1J/kg=1Sv (Sievert)  q-Werte: α: q=20 ; β: q=1 ; γ: q=1

• Bilden Protonen und Neutronen einen Atomkern, so ist die Masse des Atomkerns kleiner als die Gesamtmasse der einzelnen Bestandteile.
  Wir haben das an einigen Beispielrechnungen gesehen.
  Diese Massendifferenz nennt man Massendefekt. Sie ist über die Gleichung E = m · c² identisch mit der Bindungsenergie des Kerns.
  Wer mehr über die Entwicklung des Weltalls und über dunkle Materie und dunkle Energie wissen möchte, ist bei astronews.com gut aufgehoben.

• Erklärung der Kernzerfälle mit dem Potenzialtopfmodell
• α-Zerfall
• β^--Zerfall
• β⁺-Zerfall
• Kernspaltung

• C-14-Methode zur Altersbestimmung
• Elementarteilchen, Quarks

• Aufgaben zur Kernphysik
• Liste der Referate in den nächsten Stunden
• 10.02. - Ricarda: Wienfilter, Massenspektograph, e/m-Bestimmung
• 15.02. - Linn: Reflexion am festen/losen Ende, Huygenssches Prinzip
              Marie: Harmonische Schwingungen, Federpendel, Fadenpendel
• 17.02. - Karsten: Entladung eines Kondensators
              Torben: Potenzialtopf bei Elektronen und Nukleonen
• 22.02. - Merle: Röntgenstrahlen, Bragg-Reflexion, Bremsspektrum und charakteristisches Spektrum
              Stefan: Bewegungsgleichungen, F=m·a
• 24.02. - Marleen: Beugung am Gitter, objektive und subjektive Bestimmung der Wellenlänge
              Dirk: Elektrische Feldstärke, Flächenladungsdichte, Kondensator
• 01.03. - Eike: Stehende Wellen
              Jan: Doppelspalt mit Mikrowellen/Dezimeterwellen/Wasserwellen

• Referat zum Thema "Wienfilter, Massenspektograph, e/m-Bestimmung"
• Aufgaben zur Kernphysik (Massendefekt - Bindungsenergie)

• Referate zu den Themen "Reflexion am festen/losen Ende, Huygenssches Prinzip" und "Harmonische Schwingungen, Federpendel, Fadenpendel"
• Aufgaben zur Kernphysik (Massendefekt - Bindungsenergie)

• Referate zu den Themen "Entladung eines Kondensators" und "Potenzialtopf bei Elektronen und Nukleonen"
• Aufgaben zur Kernphysik (Tunneleffekt)

• Referate zu den Themen "Röntgenstrahlen, Bragg-Reflexion, Bremsspektrum und charakteristisches Spektrum", "Bewegungsgleichungen, F=m·a" und "Kreisbewegung"

• Referate zu den Themen "Beugung am Gitter, objektive und subjektive Bestimmung der Wellenlänge", "Elastischer und inelastischer Stoß"

• Der Unterricht fällt an diesem Tag aus, da ich leider erkrankt bin.
  Es wäre die letzte Stunde vor der Arbeit gewesen.
  Als (sicherlich ungenügenden) Ersatz für diese Wiederholungsstunde habe ich die wichtigen Themen für die Arbeit in diesem pdf-File noch einmal zusammengestellt.
  Falls ich im Fieber Fehler gemacht haben sollte, bitte ich um sofortige Nachricht, damit sich niemand etwas Falsches einprägt!
  Für Donnerstag schon jetzt viel Erfolg! Ich hoffe, ich bin dann wieder da.

• Klausur 3  [ Aufgaben | Lösungen ]
  

• Referate zu den Themen "Elektrische Feldstärke, Flächenladungsdichte, Kondensator" und "Stehende Wellen"

• Referat zum Thema "Mikrowellen und Dezimeterwellen"
• Rückgabe der Klausur 3 [ Aufgaben | Lösungen ]

• Wiederholung zum Abitur
• Fachbezogene Hinweise und thematische Schwerpunkte zum Zentralabitur im Fach Physik
  herausgegeben vom Kultusministerium Niedersachsen