Aufgabe 1 - Teilaufgabe 3 (a, b) · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022

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 $B_1$ (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 $B_2$ mit den Detektorplatten statt.

Teilaufgabe 3: Untersuchung von Alphateilchen

a)

Zunächst geht es um Alphateilchen, die ein Americium-241-Präparat (Am-241) emittiert.

Geben Sie die Zerfallsgleichung von Am-241 an und beachten Sie dabei die Massen- und Ordnungszahlen.

b)

Mit Nebelkammern lassen sich die Bahnen ionisierender Teilchenstrahlung allgemein sichtbar machen. Abbildung 3 zeigt schematisch die Spuren der Alphateilchen aus dem Zerfall von Am-241 in einer Nebelkammer.

Wie lang die Spur $R$ in der Nebelkammer ist, hängt von der kinetischen Energie $W_\alpha$ des nachgewiesenen Alphateilchens ab. Diesen Zusammenhang stellt Abbildung 4 dar.

• Bestimmen Sie mithilfe der Abbildungen 3 und 4 die kinetische Energie $W_\alpha$ der beim Zerfall von Am-241 entstehenden Alphateilchen.

Hinweis: Beachten Sie den Maßstab in Abbildung 3.

Für die Masse eines Alphateilchens gilt laut Literatur $m_\alpha = 6{,}64 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg}$.

• Bestimmen Sie die Geschwindigkeit $v$ dieser Alphateilchen, wobei eine klassische Berechnung zulässig sein soll.