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Unterrichtsmaterialien und Schulexperimente zur Teilchenphysik

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<strong>Unterrichtsmaterialien</strong> <strong>und</strong><br />

<strong>Schulexperimente</strong> <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />

...von der Fadenstrahlröhre zum Large<br />

Hadron Collider<br />

1 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Inhalt<br />

Materialien <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />

• Website www.teilchenphysik.de<br />

• Website www.weltmaschine.de<br />

• Lernsysteme<br />

Materialien zu CERN <strong>und</strong> LHC<br />

• Website http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

• Virtueller R<strong>und</strong>gang durch den LHC<br />

Demonstrationsexperimente <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />

2 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Materialien <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />

3 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


www.teilchenphysik.de<br />

4 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


www.weltmaschine.de<br />

5 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Materialien zu CERN <strong>und</strong> LHC<br />

6 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Large Hadron Rap<br />

7 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Large Hadron Rap<br />

8 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

9 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />

Broschüren<br />

10 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />

Broschüren<br />

Multimedia<br />

• Spiele etc.<br />

11 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />

Broschüren<br />

Multimedia<br />

• Spiele etc.<br />

Filme<br />

12 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />

Broschüren<br />

Multimedia<br />

• Spiele etc.<br />

Filme<br />

Vorlesungen<br />

13 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />

Broschüren<br />

Multimedia<br />

• Spiele etc.<br />

Filme<br />

Vorlesungen<br />

14 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Virtueller R<strong>und</strong>gang durch den LHC<br />

15 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Virtueller R<strong>und</strong>gang durch den LHC<br />

16 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


17 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

<strong>Teilchenphysik</strong> multimedial<br />

18 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

Unterrichtsst<strong>und</strong>en<br />

• Powerpoint-Präsentationen incl.<br />

Videos <strong>und</strong> Animationen für<br />

eine Doppelst<strong>und</strong>e (Oberstufe)<br />

<strong>und</strong> eine Einzelst<strong>und</strong>e<br />

(Mittelstufe)<br />

19 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Demonstrationsexperimente <strong>zur</strong><br />

<strong>Teilchenphysik</strong><br />

20 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Entdeckung des Elektrons<br />

• Braun‘sche Röhre<br />

U<br />

21 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Entdeckung des Atomkerns<br />

• Rutherford-Versuch<br />

22 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Entdeckung weiterer Elementarteilchen in der kosmischen<br />

Strahlung (Myon, Positron, ...)<br />

• Funkenkammer, Nebelkammer, Myonenkanne<br />

Myon<br />

23 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Entdeckung weiterer Elementarteilchen in der kosmischen<br />

Strahlung (Myon, Positron, ...)<br />

• Funkenkammer, Nebelkammer, Myonenkanne<br />

Myon<br />

Photomultiplier<br />

Thermoskanne<br />

Wasser<br />

geladenes Teilchen<br />

24 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Myonenkanne: Koinzidenz-Messung<br />

• kosmische Herkunft der Strahlung<br />

104 38<br />

25 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Myonenkanne: Koinzidenz-Messung<br />

• ausgedehnte Luftschauer<br />

16<br />

26 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Myonenkanne: Koinzidenz-Messung<br />

• ausgedehnte Luftschauer<br />

27 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


<strong>Teilchenphysik</strong><br />

Entdeckung der Quarks<br />

• Elektronenbeugungsröhre<br />

U A<br />

Graphitfolie<br />

28 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Teilchenerzeugung<br />

• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />

Kathode<br />

U A<br />

Metallzylinder<br />

Anode<br />

29 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Teilchenerzeugung<br />

• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />

90 kV<br />

Glühkathode<br />

Anode<br />

Wasserstoff<br />

30 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Teilchenerzeugung<br />

• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />

90 kV<br />

Glühkathode<br />

Anode<br />

Wasserstoff<br />

31 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Beschleunigung<br />

• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />

Kathode<br />

U A<br />

Anode<br />

32 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Beschleunigung<br />

• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />

Teilchenquelle<br />

Driftröhren aus Metall<br />

~<br />

Hochfrequenz-Generator<br />

(feste Frequenz)<br />

33 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Kreisbeschleuniger<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

~<br />

34 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Kreisbeschleuniger<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

B r<br />

35 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Zyklotron<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

Ionenquelle<br />

DEEs<br />

Magnetfeld<br />

Strahl<br />

~<br />

Hochfrequenz-<br />

Generator<br />

(feste Frequenz)<br />

36 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Synchrotron<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

37 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Fokussierung<br />

• Braun‘sche Röhre (Wehnelt-Zylinder)<br />

Leuchtschirm<br />

Kathode Wehnelt-Zylinder Anode<br />

U A<br />

38 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Fokussierung<br />

Beschleunigtes Teilchen<br />

Gasatom<br />

Strahlrohr<br />

39 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Fokussierung<br />

Beschleunigtes Teilchen<br />

Gasatom<br />

Strahlrohr<br />

40 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Fokussierung<br />

Beschleunigtes Teilchen<br />

Gasatom<br />

Strahlrohr<br />

41 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Fokussierung<br />

• Braun‘sche Röhre<br />

42 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchenbeschleuniger<br />

Vakuum<br />

• Braun‘sche Röhre, Elektronenbeugungsröhre<br />

43 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Ladungsbestimmung<br />

• Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />

U A<br />

44 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Impulsbestimmung<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

B r<br />

45 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Impulsbestimmung<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

F<br />

L<br />

= F Z<br />

B r<br />

q ⋅ v ⋅ B<br />

q ⋅ B ⋅ r<br />

=<br />

=<br />

m ⋅ v<br />

r<br />

2<br />

m ⋅ v =<br />

r<br />

p<br />

46 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Impulsbestimmung<br />

• Fadenstrahlröhre<br />

F<br />

L<br />

= F Z<br />

B r<br />

q ⋅ v ⋅ B<br />

q ⋅ B ⋅ r<br />

=<br />

=<br />

m ⋅ v<br />

r<br />

2<br />

m ⋅ v =<br />

r<br />

p<br />

47 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Teilchendetektion mit Szintillatoren<br />

• Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre, ...<br />

ionisierendes<br />

Teilchen<br />

Photodetektor<br />

Szintillator<br />

Lichtleiter<br />

48 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Teilchendetektion mit Szintillatoren<br />

• Kalorimeter<br />

Szintillator<br />

Absorptionsmaterial<br />

Lichtleiter<br />

Photomultiplier<br />

49 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Myonenkammern<br />

• Gasdetektor = Geiger-Müller-Zählrohr<br />

Außenelektrode<br />

Innenelektrode<br />

Füllgas<br />

ionisierendes<br />

Teilchen<br />

Signal<br />

U 0<br />

50 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Teilchendetektoren<br />

Myonenkammern<br />

• Vieldraht-Proportionalkammer<br />

ionisierendes Teilchen<br />

Anodendrähte<br />

Kathodendrähte<br />

51 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Einsatzmöglichkeiten<br />

<strong>Teilchenphysik</strong> erklärt mit Demonstrationsexperimenten<br />

Parallel zum Unterricht<br />

• Zusätzliche Aspekte <strong>und</strong> Aufgabenstellungen bei der Behandlung<br />

der klassischen Versuche<br />

Als Unterrichtseinheit kurz vor dem Abi<br />

• Wiederholung der klassischen Phänomene<br />

• Vorwissen der SchülerInnen, da Experimente bereits bekannt<br />

• Übergang <strong>zur</strong> Spitzenforschung am CERN<br />

52 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Vorteile<br />

<strong>Teilchenphysik</strong> erklärt mit Demonstrationsexperimenten<br />

Vermeidung von „Kreidephysik“<br />

Versuchsaufbauten in Schulen vorhanden<br />

Klärung der Frage: „Woher wissen wir...?“<br />

53 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Rückweg vom CMS-Detektor<br />

...in 1,5-facher Geschwindigkeit<br />

54 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


55 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik


Weitere Informationen<br />

www.teilchenphysik.de<br />

www.weltmaschine.de<br />

http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />

56 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik

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