Aufgabe 3 - Teilaufgabe 1 a)-b) · Abitur NRW Physik LK · Nachtermin 2021

Aufgabe: Eigenschaften der Antimaterie und der fundamentalen Wechselwirkungen

Teilaufgabe 1: Entdeckung des Positrons und seine Eigenschaften

Als „elementare“ geladene Teilchen kannte man zu Beginn der dreißiger Jahre des vergangenen Jahrhunderts nur das Elektron und das Proton. Die kosmische Strahlung zu erforschen war zu dieser Zeit ein hochaktuelles Thema. Man wusste bereits, dass kosmische Strahlung eine energiereiche, ionisierende Strahlung aus dem Weltraum ist, doch über ihre Zusammensetzung gab es bis dahin nur Vermutungen.

Ein damals gebräuchliches Nachweisgerät für ionisierende Teilchenstrahlung war die Nebelkammer. Sie besteht aus einer Kammer, in der sich der gesättigte Dampf einer Flüssigkeit befindet, und jede noch so geringe Ionisation an einem Punkt des Raums führt dort zur Kondensation des Dampfes in winzige Tröpfchen. Schnelle geladene Teilchen ionisieren entlang ihrer Bahnkurve das Gas in der Nebelkammer und die dadurch entstehenden Tröpfchenspuren machen ihre Bahnen sichtbar.

Aus der Bahnkurve eines geladenen Teilchens in einer Nebelkammer lässt sich vor allem das Verhältnis von Ladung $q$ zu Impuls $p$ ermitteln, sofern die gesamte Nebelkammer von einem homogenen Magnetfeld der Stärke $B$ durchsetzt wird. Für die geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung darf angenommen werden, dass sich ihre kinetische Energie beim Durchqueren des Gasvolumens der Nebelkammer nicht ändert.

a)

Beschreiben Sie qualitativ, wie die Bahn eines geladenen Teilchens im homogenen Magnetfeld einer Nebelkammer verläuft, wenn das Teilchen senkrecht zum Magnetfeld eintritt und die Kammer an einer anderen Stelle wieder verlässt.

Der Krümmungsradius $r$ der Spur eines solchen geladenen Teilchens in der Nebelkammer genügt der Beziehung $r = \frac{p}{q \cdot B}$, wobei $p$ der Impuls und $q$ die Ladung des Teilchens ist.

Leiten Sie diese Beziehung her.

Bei einer einzelnen, ununterbrochenen Spur eines unbekannten Teilchens in der Nebelkammer lässt sich zunächst nicht feststellen, in welcher Richtung das Teilchen die Bahn durchlaufen hat. Selbst bei bekanntem Magnetfeld kann man deshalb nichts über das Vorzeichen der Ladung aussagen.

b)

Aus der Bahnkurve des Teilchens in Abbildung 1 lässt sich dagegen das Ladungsvorzeichen ermitteln. Auf dieser Fotografie zeigt das Magnetfeld $\vec{B}$ in die Papierebene hinein; das Teilchen durchquert in der Nebelkammer eine dünne Bleiplatte und verliert dabei einen Teil seiner kinetischen Energie.

Beschreiben Sie qualitativ den Verlauf der Bahn des Teilchens oberhalb und unterhalb der Bleiplatte.

Begründen Sie qualitativ mithilfe von Teilaufgabe a), warum das Teilchen die Bleiplatte von unten nach oben durchquert haben muss.

Bestimmen Sie anhand dieser Bahnkurve das Vorzeichen der Ladung des Teilchens.