Aufgabe 1 - Teilaufgabe 3 (c) · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022
Thema: Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern · Aus der Prüfung GK · Nachtermin (2022)
Aufgabenstellung
Aufgabenstellung:
Aufgabe: Massenspektrometrie
Die Teilaufgaben befassen sich mit verschiedenen Gesichtspunkten der Massenbestimmung geladener Teilchen.
Teilaufgabe 1: Aufbau und Funktionsweise eines Massenspektrometers
Geladene Teilchen lassen sich auf eine Kreisbahn lenken, was man sich zur Bestimmung ihrer Masse zunutze macht. Abbildung 1 stellt dazu den schematischen Aufbau eines Massenspektrometers dar.
Die Quelle sendet hier einfach negativ geladene Ionen aus, die unterschiedliche Geschwindigkeiten und Richtungen haben. Blende I lässt nur Ionen mit der eingezeichneten Richtung in den Geschwindigkeitsfilter gelangen. Der Filter besteht aus zwei entgegengesetzt geladenen Metallplatten; zwischen ihnen herrscht ein Magnetfeld der Stärke (in Richtung der Zeichenebene). Nur Ionen mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen den Filter. Die eigentliche Massenbestimmung findet hinter der Blende II im Magnetfeld der Stärke mit den Detektorplatten statt.
c) Mit einem Thomson-Spektrographen lässt sich die Masse eines Alphateilchens experimentell ermitteln. Abbildung 5 zeigt den schematischen Aufbau.
Das unbekannte radioaktive Präparat sendet Alphateilchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Sie verlassen die Quelle längs der -Achse und durchlaufen – wie in Abbildung 5 gezeigt – einen Bereich der Länge , in dem ein magnetisches Feld der Stärke und ein elektrisches Feld der Stärke gleichzeitig wirken. Beide Felder gelten dort als homogen. Hinter diesem Bereich werden die Alphateilchen auf einer Nachweisplatte registriert.
•
Erklären Sie, weshalb die Alphateilchen auf der Nachweisplatte in Abbildung 5 keine der gestrichelten Linien treffen können.
Befindet sich die Nachweisplatte unmittelbar hinter dem Feldbereich, ergeben sich für die Ablenkung der Alphateilchen in der --Ebene folgende Terme (ohne Herleitung):
Abbildung 6 zeigt schematisch, was sich auf der Nachweisplatte ergibt.
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Entscheiden Sie, an welchem der markierten Punkte A oder B Alphateilchen mit relativ größerer Geschwindigkeit auftreffen würden.
Punkt:
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Zeigen Sie, dass sämtliche Alphateilchen aus der Quelle bei diesem Versuchsaufbau auf genau einer Parabel mit der Gleichung auf der Nachweisplatte auftreffen.

Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
Erklären Sie, weshalb die Alphateilchen auf der Nachweisplatte in Abbildung 5 keine der gestrichelten Linien treffen können.
Lösung: Die Alphateilchen sind positiv geladen und erfahren im elektrischen Feld eine Kraft nach oben. Die Lorentzkraft wirkt auf sie entsprechend der Drei-Finger-Regel der rechten Hand nach hinten. Daher landen die Alphateilchen stets im dargestellten ersten Quadranten des Koordinatensystems auf der Nachweisplatte.
Entscheiden Sie, an welchem der markierten Punkte A oder B Alphateilchen mit relativ größerer Geschwindigkeit auftreffen würden.
Lösung: A / Punkt A
Zeigen Sie, dass sämtliche Alphateilchen aus der Quelle bei diesem Versuchsaufbau auf genau einer Parabel mit der Gleichung y = (2·m_α·E)/(q·B²·L²) · x² auf der Nachweisplatte auftreffen.
Lösung: Durch Quadrieren der -Koordinate erhält man bzw. nach Umformung . Einsetzen in die Gleichung für die -Koordinate liefert: Der Öffnungsfaktor der Parabel hängt nur noch von Größen der Versuchsanordnung und vom Verhältnis ab, das für alle Alphateilchen gleich ist. Insbesondere hängt er nicht mehr von der Geschwindigkeit der Alphateilchen ab. Daher landen alle Alphateilchen entlang genau einer Parabelkurve mit der angegebenen Gleichung auf der Nachweisplatte.
Zeigen Sie, dass sämtliche Alphateilchen aus der Quelle bei diesem Versuchsaufbau auf genau einer Parabel mit der Gleichung y = \frac{2 \cdot m_\alpha \cdot E}{q \cdot B^2 \cdot L^2} \cdot x^2 auf der Nachweisplatte auftreffen.
Lösung: Aus x nach v auflösen: v_\alpha = \frac{q B L^2}{2 m_\alpha x}. Einsetzen in y = \frac{q E L^2}{2 m_\alpha v_\alpha^2} ergibt y = \frac{2 m_\alpha E}{q B^2 L^2} x^2.
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