Alphateilchen/Alphastrahlen gehören zur natürlichen Radioaktivität von instabilen Atomen. Es handelt sich bei Alphastrahlen um Heliumkerne, welche aus 2 Protonen und 2 Neutronen bestehen. Übliche Energien von Alphastrahlen liegen zwischen 5 und 6 MeV (1 eV = 1.6 · 10^ –19 J).
In diesem Experiment soll es darum gehen, die Geschwindigkeit v der Alphateilchen zu bestimmen. Zunächst eine Abschätzung:
Bei einer kinetischen Energie von 5.5 MeV beträgt also die Geschwindigkeit der Alphateilchen rund 5.4% der Lichtgeschwindigkeit. Daher kann man die Geschwindigkeit auch mittels der klassischen Formel für die kinetische Energie abschätzen:
Wie sieht das Experiment nun konkret aus? Fliegt ein positiv geladenes Alphateilchen durch ein elektrisches Feld E (= elektrische Feldstärke), so wird es in Richtung der Feldlinien abgelenkt:
In einem Magnetfeld B (= magnetische Flussdichte) wirkt auf das Alphateilchen die Lorentzkraft senkrecht auf die Geschwindigkeit v:
Kombiniert man nun beide Felder, so wird konkret das Alphateilchen durch das elektrische Feld nach unten und durch das magnetische Feld nach oben abgelenkt. Besitzen beide Felder eine bestimmte Größe, so heben sich die Kräfte auf und das Alphateilchen kann ohne Ablenkung den Bereich der beiden Felder durchlaufen:
Dies ist konkret dann der Fall, wenn die elektrische Kraft gleich der Lorentzkraft ist. Aus dieser Bedingung lässt sich dann die Geschwindigkeit der Alphateilchen herleiten:
In diesem Experiment werde ich die Spannung U am Kondensator solange verändern, bis der Geigerzähler die Alphateilchen wieder detektiert. Dann gilt die einfache Beziehung: v = U / (d · B) mit dem Plattenabstand d und der magnetischen Flussdichte B. Die Flussdichte bestimme ich mit einer Hallsonde bzw. ich ermittle im Vorfeld deren Abhängigkeit von der anliegenden Spulenspannung B(USpule). Kenne ich also die eingestellte Spulenspannung USpule, kenne ich B und mittels d und U an den Kondensatorplatten weiß ich die Geschwindigkeit v der Alphateilchen, voila…
Als Geigerzähler kommt mein Endfensterzählrohr zum Einsatz, welches dank des hauchdünnen Glimmerfensters auch Alphastrahlen detektieren kann. Dieses werde ich genau gegenüber dem Alphastrahler postieren. Zur Erzeugung des Magnetfelds verwende ich ein sehr kleines Helmholtz-Spulenpaar, welches bereits bei der Elektronenspinresonanz (https://stoppi-homemade-physics.de/elektronenspinresonanz-esr/) zum Einsatz kam.
Die Hochspannung für den Kondensator stelle ich mit meinem einfachen CCFL-HV-Netzteil bereit:
Zuerst habe ich mich um die Helmholtzspule gekümmert und die Kennlinie B(U) aufgenommen:
Ich komme auf einen Wert von 0.5909 mT pro Volt.
Dann habe ich den kleinen Plattenkondensator für das elektrische Feld mittels Kupferblech und M3-Distanzringe gebastelt:
Somit konnte ich einen ersten Versuch wagen. Der gesamte Aufbau wieder auf meinem Küchenboden:
Anhand folgenden Bilds kann man erkennen, dass ich mit dem Alphastrahler nicht näher als ca. 3 cm zum Zählrohr komme. Genau dies stellte sich als großes Problem heraus.
Denn bei einer so großen Distanz Quelle-Detektor kamen bereits keine Alphateilchen mehr am Zählrohr an. Ich müsste also den Abstand deutlich reduzieren. Dies war aber mit diesem Aufbau nicht umsetzbar…
Deshalb dachte ich an meine große Helmholzspule:
Hier schränkte die Spule nicht die Distanz des Alphastrahlers zum Geigerzählers ein. Und die Kondensatorplatten könnten die Quelle und die Öffnung des Zählrohr komplett einschließen. Somit würde ich mit dem Detektor z.B. auf 1 cm an die Quelle heranrücken und es wären noch viele Alphateilchen detektierbar.
In der Zwischenzeit habe ich aber einmal den Krümmungsradius r der Alphateilchen im Magnetfeld der Helmholtzspulen abgeschätzt:
Vom Ergebnis war ich ziemlich erstaunt. Bei einem derart großen Krümmungsradius würden die Alphateilchen auch nur mit Magnetfeld und ohne elektrischen Feld den Detektor mühelos treffen, selbst wenn ich dessen Öffnung durch eine kleine Schlitzblende reduzieren würde.
Denn die Alphateilchen würden auf der 1 cm langen Strecke zwischen Quelle und Detektor im reinen Magnetfeld ohne elektrischen Feld nur 0.4 µm an Höhe gewinnen.
Aus diesem Grund könnten selbst bei falsch eingestellten Magnetfeld bzw. elektrischen Feld nahezu alle Alphateilchen den z.B. 2 mm hohen Schlitz des Zählrohrs passieren. Eine Änderung der Zählrate durch Veränderung des B- bzw. E-Felds wäre also nicht feststellbar. 🙁
Ganz schön frustrierend. Ich möchte diese Prognose aber noch experimentell überprüfen. Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…
