Aufgabe 2 · Abitur NRW Physik GK · Protonentherapie 2026

Material 2: Aufbau und Funktionsweise eines Zyklotrons

In einem Zyklotron werden Protonen aus der Ruhe heraus beschleunigt. Sie bewegen sich dabei auf spiralähnlichen Bahnen (siehe Abb. 2). Zwischen den beiden Duanten liegt eine Spannung an, die ein näherungsweise homogenes elektrisches Feld im Spalt zwischen ihnen erzeugt. Innerhalb der Duanten gibt es kein elektrisches Feld, dafür aber ein homogenes Magnetfeld, welches für die Richtungsänderung der Protonen sorgt. Die Auswirkungen des Magnetfelds im Spalt soll hier vernachlässigt werden. Immer dann, wenn ein Proton den Spalt wieder erreicht, wird die Spannung zwischen den Duanten umgepolt, so dass die Richtung des elektrischen Feldes jeweils mit der Bewegungsrichtung übereinstimmt. Die gesamte Apparatur befindet sich im Vakuum.

Am Klinikum in Dresden werden die Protonen in einem Zyklotron beschleunigt. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise eines Zyklotrons sind in den Materialien 2 und 3 beschrieben.

a)

Nennen Sie die Richtung der elektrischen Kraft innerhalb des Spalts sowie die der magnetischen Kraft innerhalb des Duanten. Beschreiben Sie jeweils ihre Wirkung auf die Bewegung des Protons. Gehen Sie dabei auf die Änderung der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung sowie auf den Radius der Halbkreisbahnen ein. [4 BE]

b)

Skizzieren Sie in den beiden Abbildungen in Material 3 die Lorentz-Kräfte, die an den markierten Positionen 1, 2 und 3 auf der Bahnkurve auf das Proton wirken, als Pfeile. Veranschaulichen Sie die Größe der jeweiligen Kraft qualitativ durch die Länge des zugehörigen Pfeils. [3 BE]