II. Physikalisches Institut                                                                                     Arbeitsgruppe Prof. Dr. V. Metag

Einführung in Grundlagen
der
Kern- und Elementarteilchenphysik

Ein Praktikum für Schüler mit Leistungskurs Physik

Seit 1996 bietet das II. Physikalische Institut interessierten Schülergruppen - bisher Leistungskurse
Physik verschiedener mittelhessischer Gymnasien - einen Einblick in Fragestellungen der Physik,
das Berufsbild des Physikers, Forschung und Lehre an der Universität verbunden mit vielen Möglichkeiten zum selbständigen Experimentieren und Erforschen elementarer Grundlagen der
Kern- oder Teilchenphysik.

Man untersucht die Eigenschaften radioaktiver Strahlung, testet selbst gebaute Nachweisdetektoren
und wird vertraut gemacht mit modernsten Meßgeräten und elektronischen Datenaufnahmesystemen.

Das Praktikum umfaßt in der Regel  4 - 5 Projekttage, an denen in ganztägiger Arbeit die Thematik
durch Vorträge, Diskussionen und vor allem ein reichhaltiges selbständiges Experimentierprogramm
gemeinsam erarbeitet werden. Vorkenntnisse auf dem Gebiet der Kernphysik sind nicht erforderlich - nur
das Interesse und der Spaß, neue physikalische Zusammenhänge zu erarbeiten. Die Kurstermine werden individuell vereinbart - wenn möglich in der vorlesungsfreien Zeit - wobei in den meisten Fällen von Seiten der Schüler den Schulferien der Vorzug gegeben wurde.
                                     (Presseberichte: 1 - 2 - 3 - 4)

Das Projekt besitzt kein festgelegtes Programm, lediglich Themenschwerpunkte, die je nach zeitlichem Rahmen, Vorkenntnissen und Interessen der Teilnehmer bearbeitet oder vertieft werden. Basierend auf den bisher durchgeführten Praktika lagen folgende Inhalte im Vordergrund:

Einführende Experimente zur natürlichen Radioaktivität

1. Absorption von Photonen (Röntgenstrahlung, Gamma-Strahlung)
   (Erzeugung und Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung, Funktion einer Röntgenröhre, Absorption von Photonen in Materie, Geiger-Müller-Zähler als Nachweisdetektor)
   Versuchseinführung: Teil 1 - Teil 2 - Teil 3

2. Radioaktiver Zerfall durch Emission von Alpha-Teilchen
   (Zerfallsgesetz, Alpha-Zerfall, Ionisations-Kammer als Nachweisdetektor)
   Versuchseinführung: Radioaktiver Zerfall

3. Reichweite von Beta-Strahlung in Materie
   (Radioaktiver Zerfall, Wechselwirkung von Elektronen in Materie, Geiger-Müller-Zähler als Nachweisdetektor)
   Versuchseinführung: Reichweite von Beta-Strahlung
   

In kleineren Arbeitsgruppen werden folgende Fragestellungen durch weiterführende Experimente vertieft:

Experimentieren mit Szintillationsdetektoren aus BaF₂-Kristallen.

Diese Szintillationsdetektoren, die als zentraler Detektor für das Photonenspektrometer TAPS - eines der Forschungsschwerpunkte des Instituts - entwickelt und gebaut wurden, sind besonders geeignet zum Nachweis hochenergetischer Photonen. Man wird mit der Funktionsweise und dem Aufbau eines Szintillationsdetektors vertraut gemacht, baut eigene Detektoren und setzt sie ein, um niederenergetische Gamma-Strahlung oder kosmische Myonen zu detektieren. Das Experimentieren erfordert den Einsatz eines elektronischen Datenaufnahmesystems, Rechnerprogramme zur Analyse der Daten sowie modernste Elektronik - schnelle analoge und digitale Oszillographen, Verstärker, usw. Da diese Detektoren es ermöglichen, den Auftreffzeitpunkt der Strahlung mit einer Genauigkeit von einigen hundert Pico- sekunden (10^-12 Sekunden), wird eine direkte Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit durchgeführt.    

• Messung der optischen Transmission von Kristallen, Glas etc.

• Montage eines Szintillationsdetektors

• Eigenschaften von Photosensoren

• Messungen von Signalformen mit Speicheroszillograph

• Betriebnahme einer elektronischen Datenaufnahme

• Eichung eines Detektors

• Messung der Energie von Gamma-Strahlung

• Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

g - Spektroskopie mit einem Halbleiterdetektor aus Germanium

Halbleiterdetektoren aus Silizium oder Germanium erlauben den Nachweis von Photonen oder geladenen Teilchen und die Bestimmung ihrer Energie mit hoher Genauigkeit. Man betreibt diese Kristalle gekühlt auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff als Diode, wobei man durch Anlegen einer Betriebs- spannung einen Bereich im Kristall erzeugt, der nahezu keine elektrische Leitung besitzt, da alle Ladungs- träger-Elektronen entfernt wurden. Allein die einfallende ionisierende Strahlung kann Elektronen frei- setzen, die durch ein elektrisches Feld abgesaugt und zu einem elektrischen Signal verstärkt werden, das proportional der im Kristall absorbierten Energie ist. Derartige Detektoren erlauben eine genaue Bestim- mung der Photonenenergie, die im Falle der g - Strahlung charakteristisch für den radioaktiven Kern ist und damit seine Identifikation ermöglicht.

• Betriebnahme einer elektronischen Datenaufnahme

• Betrieb und Eichung eines Ge-Detektors

• Messung und Diskussion der Energieauflösung des Detektors

• Vergleichsmessung von Gamma-Strahlung mit einem Szintillationsdetektor

• Untersuchung von verschiedenen radioaktiven Proben aus dem Alltag ( Ziffernblatt einer Uhr, Kies- und Betonproben, glasierte Keramikkacheln, etc.)

• Funktionsweise von Photonendetektoren und der Bedeutung der Zählstatistik

a - Spektroskopie mit einem Halbleiterdetektor aus Silizium

Halbleiter-Dioden aus Silizium werden insbesondere zur Spektroskopie, d.h. der genauen Vermessung der kinetischen Energie, von geladenen Teilchen - in diesem Fall a-Teilchen - eingesetzt. Jeder radioaktive Kern, der durch die Emission von a-Teilchen zerfällt, läßt sich durch die charakteristische Energie dieser Teilchen identifizieren. Trotz der hohen Energie dieser Teilchen von einigen MeV besitzen sie nur eine kurze Reichweite in Materie - selbst in Luft. Die Meßapparatur muß daher in einer evakuierten Testkammer aufgebaut werden. Die stark ionisierende Wirkung dieser Strahlung wird durch verschiedene Messungen experimentell überprüft und kann dazu verwendet werden, zerstörungsfrei die Dicke extrem dünner Folien zu vermessen.

• Betriebnahme einer elektronischen Datenaufnahme

• Aufbau und Betriebnahme einer Vakuum-Testkammer

• Betrieb und Eichung eines Si-Detektors mit verschiedene Alphapräparaten

• Messung und Diskussion der Eigenschaften von Alpha-Teilchen

• Messung des Energieverlustes und der Reichweite von Alpha-Teilchen in Luft und verschiedenen Materialien

• Bestimmung der Dicke extrem dünner Folien

Experimentieren mit Plastik-Szintillationsdetektoren

Szintillatoren sind eine wichtige Gruppe von Nachweisdetektoren auf dem Gebiet der Kernphysik. Neben anorganischen Kristallen, wie Bariumfluorid, erzeugen auch organische Verbindungen, die man in Trägermaterialien ähnlich Plexiglas einbettet, nach Bestrahlung mit ionisierender Strahlung Szintillations- licht, das prompt - im Bereich von Nanosekunden - emittiert wird und in speziellen Photosensoren in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Es werden mehrere dieser Detektoren  betriebsfertig montiert und getestet. In Experimenten werden Beta-Teilchen und kosmische Myonen nachgewiesen. Es wird aus mehreren Detektoren eine Koinzidenzapparatur aufgebaut, die es erlaubt, gleichzeitig emittierte Photonen oder Teilchen, die mehrere Detektoren durchfliegen, elektronisch zu identifizieren.

• Betriebnahme einer elektronischen Datenaufnahme

• Messung der optischen Transmission von Plastik, Glas, etc.

• Bestimmung der Eigenschaften und Funktionsweise von Photosensoren

• Messung der Signalform der Detektoren mit schnellen Oszillographen

• Montage mehrerer Szintillationsdetektoren

• Bestimmung der Energie von Beta-Teilchen

• Aufbau einer Koinzidenzapparatur und Bestimmung der Zeitäuflösung

• Nachweis von kosmischen Myonen

Neben den Experimenten und Diskussionen zu den elementaren Grundlagen der Kern- und Teilchenphysik wird das Berufsbild des Physikers in Industrie und Forschung erläutert und diskutiert. Folgende Themenpunkte werden angeschnitten:

• das Studium der Physik - Voraussetzungen, Studienplan und Ablauf

• Berufsmöglichkeiten eines Physikers in Industrie, Verwaltung, Forschung und Lehre

• Struktur eines Physikalischen Instituts an der Universität

• Bedeutung der Infrastruktur aus Werkstätten und Labors

• Internationale Forschungsprojekte und Einbindung der Studenten

• Bedeutung der Grundlagenforschung

Das Projekt wird ergänzt durch kurze Vorträge (Prof. Metag) zu speziellen Themen, z.B.

• Struktur der Materie - von der Zelle zu den Quarks

• Tumortherapie mit Strahlen schwerer Ionen

• Physikalische Fakten der Strahlenbelastung durch CASTOR-Transporte

Eine gemeinsame Exkursion z.B. zur Besichtigung der Beschleuniger- und Experimentier-Anlagen an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt kann organisiert und durchgeführt werden auch zur Vertiefung der innerhalb des Projektes diskutierten Grundlagen.

weiteres Informationsmaterial:

Einführung in ausgewählte Laborexperimente

Anmeldung oder weitere Informationen:

Dr. Rainer Novotny
Telefon: 0641 99 33 277
Fax: 0641 99 33 209
email: r.novotny@exp2.physik.uni-giessen.de