Marco Kirschner, Rebecca Liebschner und Floria Rehwald

Den Teilchen auf der Spur mit GeoGebra

Blasenkammer, Teilchenspuren, CERN, Messung
Blasenkammer-Aufnahme des CERN (1972), © 1972-2020 CERN

Marco Kirschner, Rebecca Liebschner und Floria Rehwald

Materialien zum schulischen Einsatz von Blasenkammeraufnahmen

in der Teilchenphysik viele neue Erkenntnisse ermöglicht. Heute bieten die mit den Blasenkammern aufgenommenen Bilder ein hohes Potenzial für den Einsatz im Unterricht der Schule (s. z.B. [1]). Durch die visuelle Auswertung der Blasenkammerbilder können direkt Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Teilchen gezogen werden, die die Spuren hinterlassen haben.
Die Aufnahmen, welche die Basis dieses Artikels und der Materialien (s. Kasten 1) bilden, stammen von der 2-m-Blasenkammer am CERN. Der 700-t-Koloss war zwischen 1964 und 1976 aktiv und erstellte rund 40 Millionen Bilder auf 20000 Kilometer Film. Untersuchungsschwerpunkte waren u.a. die Omega-Produktion, Hyperon- und Antihyperon-Erzeugung, K0-Zerfälle sowie die schwache Wechselwirkung.
1) Material
1) Material
Unterrichtsmaterialien zum Artikel
Die in diesem Artikel vorgestellten Materialien sind im Rahmen von zwei Masterarbeiten entstanden. Diese Arbeiten sowie die analogen und digitalen Materialien sind über das „Netzwerk Teilchenwelt auf der Seite von Geogebra verfügbar:
Konzeption und Aufbau der Materialien
Auf der Grundlage der Materialien (s. Kasten 1) ist es möglich, den Schülerinnen und Schülern auf verschiedenen Anforderungsniveaus einen Einblick in den Aufbau, die Funktionsweise und die Auswertung von Aufnahmen einer Blasenkammer zu geben. Durch die Auswertung der Blasenkammeraufnahmen gewinnen die Schülerinnen und Schüler neue Erkenntnisse im Bereich der Teilchenphysik und wenden bekannte Konzepte auf dieses Fachgebiet an. Dabei reicht die Bandbreite der Aufgaben vom Erkennen des Ladungsvorzeichens bis hin zur Berechnung des Impulses der Teilchen.
Einführung
Die Blasenkammer ist den Lernenden meist unbekannt. Daher bieten die Materialien eine Einführung (s. Abb. 1 ), in welcher der grundlegende Aufbau einer Blasenkammer sowie das Identifizieren von Teilchenspuren erläutert werden.
Dieses Material können die Lernenden auch selbstständig bearbeiten, denn die Blasenkammer ist im Vergleich zu den „großen Detektoren am CERN wegen ihres relativ unkomplizierten Aufbaus schon mit Basis-Schulwissen gut zu verstehen (s.a. Kasten 2). Zudem können Teilchenspuren auf den Aufnahmen unmittelbar gesehen werden.
2) Informationen
2) Informationen
Überblick zum Prinzip der Blasenkammer
Im Prinzip ist eine Blasenkammer ein großer Raum, in den ein Stempel hineingeschoben und wieder hinausgezogen werden kann. Dieser Raum hat Fenster, durch die das Innere mit Fotokameras beobachtet wird. Die Kammer selbst ist mit einer Flüssigkeit gefüllt.
Bewegt sich der Stempel nun in die Kammer hinein bzw. aus ihr heraus, wird die Siedetemperatur der Flüssigkeit verändert. Der thermische Zustand der Flüssigkeit ist somit metastabil. Elektrisch geladene Teilchen, die als Strahl in die Kammer geschossen werden, wechselwirken mit der Flüssigkeit und hinterlassen eine Blasenspur.
Die Kammerflüssigkeit befindet sich in einem starken Magnetfeld (bei der 2-m-Blasenkammer: 1,74 T). Dieses sorgt dafür, dass die sich bewegenden, elektrisch geladenen Teilchen in der Kammer auf eine Kreisbahn gezwungen werden. Aus dieser Kreisbahn kann dann der Impuls des Teilchens berechnet und weitere Rückschlüsse zu stattfindenden Wechselwirkungen gezogen werden.
In der Kammer hinterlassen nur elektrisch geladene Teilchen eine Spur. Somit sind auf elektrisch neutrale Teilchen nur indirekte Rückschlüsse möglich.
Freihandexperiment zum Funktionsprinzip
Im Unterricht kann die Wirkung des „Pumpens in einem Freihand-Experiment demonstriert werden: Eine Plastikspritze wird mit Wasser gefüllt und sämtliche Luft mithilfe des Stempels herausgepresst. Die Spitze der Spritze wird nun mithilfe einer Kerzenflamme und ggf. zusätzlich mit etwas Heißkleber luftdicht verschlossen. Wenn man nun...

Friedrich+ Kunst

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 180 / 2020

Teilchenphysik

Friedrich+ Kennzeichnung Praxis Schuljahr 11-13