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Erschließung eines nichtoptischen Strahlungsbereiches
für den Unterricht
Am Wilhelm-Ostwald-Gymnasium in Leipzig arbeiten Schüler der 11.
Jahrgangsstufe an einem Projekt zur indirekten Messung kosmischer Strahlung
mit schulischen Mitteln. Vielleicht ist dies auch eine Anregung für
andere Gymnasien, weshalb hier das Projekt vorgestellt wird. Über
Beteiligungen anderer Schulen würden wir uns freuen.
Ein Projekt von Christiane Rammelt und Christian Wagner
unter Leitung von Peter Scheuermann 
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möchten!
Indirekte Messung kosmischer Strahlung
Im Verlauf des Schuljahres 1996/97 wollen wir mit Hilfe eines Geiger-Müller-Zählrohr-Teleskops
indirekt kosmische Strahlung messen. Neben der Untersuchung der Abhängigkeit
der Strahlungsintensität von der Zenitwinkeldistanz wollen wir feststellen,
ob ein Zusammenhang zwischen Strahlungsintensität und Richtung nachweisbar
ist, oder ob sichtbare Erscheinungen der Sonnenaktivität Auswirkungen
auf die Zählrate haben. Auch wollen wir versuchen, das Spektrum der
Strahlung zu messen.
Schema der Meßanordnung:
Schema der Entstehung kosmischer Schauer:
 
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Auswertungsprogramm
Bildschirmausdruck des Auswertungsprogramms
Die automatisch erfaßten und in Dateien abgelegten Meßwerte
können mittels eines Programms graphisch dargestellt und ausgewertet
werden.
Auswertungsprogramm
Eta Carinae NGC 3372
Das Sternbild Carina befindet sich am südlichen Sternhimmel. Eta
Carinae, ein veränderlicher Stern, der von Gasnebeln umgeben ist,
liegt mitten in einer der hellsten Regionen der südlichen Milchstraße.
Das den Stern umgebende äußere rote Glühen ist Materie,
die während eines Helligkeitsausbruchs im letzten Jahrhundert ausgeworfen
wurde. Das Material, das sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als drei
Millionen Kilometer pro Stunde bewegt, besteht aus Stickstoff und anderen
Elementen, die im Inneren des Sterns gebildet worden waren. Dieses Objekt
ist eine der Quellen für kosmische Strahlung.
Jupiter
Das Bild zeigt den sogenannten Großen Roten Fleck - einen riesigen
atmosphärischen Wirbel - und die rötlich gefärbten Wolkenbänder
im Äquatorbereich. Auf der südlichen Hemisphäre sind kräftig
dunkel gefärbte Flecken zu erkennen. Sie stammen vom Einschlag der
Bruchstücke des Kometen Shoemaker-Levy 9 in der Zeit vom 16. bis 22.
Juli 1994.
Spiralgalaxie M100 im Sternbild Haar der Berenice
Die Galaxie M100 ist eine typische Spiralgalaxie, ähnlich unserer
Milchstraße, wenn wir sie von außen sehen könnten. M100
gehört zu einer großen Ansammlung von Galaxien, dem sogenannten
Virgo-Haufen, der aus mindestens 1000 einzelnen Sterninseln besteht. In
diesem Haufen ist M100 eine der größten. Kerne von Galaxien
sind eine Quelle der energiereichsten Komponente der kosmischen Strahlung.
Pferdekopfnebel im Sternbild Orion
Drei in einer Reihe stehende Sterne bilden den sogenannten Gürtel
im Sternbild Orion. Insbesondere der östlich stehende Stern Zeta ist
eingebettet in einen von ihm beleuchteten Gas- und Staubnebel. Etwa ein
halbes Grad unterhalb liegt eine dunkle undurchsichtige Staubmaterie vor
dem hellen Teil des Nebels. Ein besonders markanter Ausläufer vor
dem helleren Hintergrund hat den Namen Pferdekopfnebel erhalten. Auch hier
könnte eine der Quellen für kosmische Strahlung liegen.
Milchstraße in den Sternbildern Ara und Norma
Südlich des Sternbildes Skorpion, also von Europa aus nicht sichtbar,
setzt sich die Milchstraße in die angrenzenden Sternbilder Ara und
Norma hinein fort. In diesem Teil der Milchstraße sind nur wenige
helle Objekte zu sehen. Ein Band von Dunkelwolken ist die Ursache. Dafür
treten auf der im Licht des Wasserstoffs gefilterten Aufnahme rote Gasnebel
als typische Bestandteile der Spiralarme der Milchstraße hervor.
Auch in diesen Gebieten entsteht kosmische Strahlung.
Ringförmige Sonnenfinsternis am 10. Mai 1994
Eine ringförmige Sonnenfinsternis entsteht, wenn der dunkle Mond
die Sonne nur so weit abdeckt, daß ein heller Ring der Sonnenoberfläche
sichtbar bleibt. Sie kommt zustande, wenn der Mond auf seiner elliptischen
Bahn um die Erde von ihr am weitesten entfernt ist. Am 10. Mai 1994 erschien
dadurch die Sonnenscheibe um 2,5 Bogenminuten größer als der
Mond. Die solare kosmische Strahlung (auch SEP - solare energetische Partikel)
wird vorwiegend bei Eruptionen in der Sonnenatmosphäre (Flares) erzeugt
und stellt nur einen geringen Teil der gesamten kosmischen Strahlung dar.
Bilder aus: Kalender "Unendliches Weltall 1996",
Verlag J. Hannesschläger, Neusäß bei Augsburg
Geiger-Müller-Zählrohr
Bild: W. Kuhn:"Physik", Band 1; Westermann
Schulbuchverlag GmbH Braunschweig 1994
Aufbau: Im allgemeinen ist das Gehäuse ein Zylinderkondensator
(ca. 1 cm Radius und 0.1 mm Wandstärke). In ihm befindet sich isoliert
eine zentrale Elektrode, die beim Zählrohr als dünner Draht ausgebildet
ist. Die Anordnung wird evakuiert und dann meist mit Edelgasen (Neon, Helium)
und Zusätzen organischer Dämpfe unter niedrigem Druck gefüllt.
Die Arbeitsweise des Zählrohrs hängt im wesentlichen
von der Potentialdifferenz zwischen Gehäuse und Zentralelektrode ab.
Die durch die ionisierende Strahlung freigesetzten Elektronen werden in
unmittelbarer Umgebung der Zentralelektrode stärker beschleunigt.
Sie nehmen pro freie Weglänge Energie auf, verlieren sie aber häufig
durch unelastische Zusammenstöße mit den Molekülen des
Füllgasen wieder. Erreichen die Elektronen auf ihrem Weg zur Zentralelektrode
bei stetiger Erhöhung der Potentialdifferenz eine kinetische Energie,
die die Ionisation eines weiteren Gasmoleküls ermöglicht, so
beginnt die sog. Stoßionisation - der Schwellenwert des Proportionalbereiches
ist erreicht. Bei weiterer Steigerung der Potentialdifferenz verlagert
sich die Zone der ersten Stoßionisation weiter zur Zählrohrwand,
die Elektronenlawine läuft an. Erzeugt das ionisierende Teilchen auf
seiner Bahn n Elektronen, so löst jedes dieser Elektronen wieder eine
Elektronenlawine aus. Wie Erfahrungen gezeigt haben, läuft im Proportionalbereich
jede Lawine unabhängig von der anderen ab. Die Anzahl der erzeugten
Ionen und Elektronen ist proportional zu n und ebenso der hervorgerufene
Stromstoß. Bei weiterer Erhöhung der Potentialdifferenz entstehen
beim Auftreffen der Elektronen am Zähldraht und in der Lawine selbst
Lichtquanten, die bei ihrem Aufprall am Metall der Zählrohrwand neue
Elektronen auslösen können, die ihrerseits zu neuen Lawinen Anlaß
geben. Die Lawinen behindern sich schließlich gegenseitig in ihrer
Entwicklung, und zwar um so stärker, je dichter die primäre Ionisation
verteilt war. Die dicht nebeneinander startenden Lawinen überdecken
sich, die Rekombinationsverluste wachsen. Es bleiben daher die Impulse
bei hoher Ionisation hinter den zu erwartenden Werten zurück, während
die, die von Teilchen geringerer Primärionisation ausgelöst wurden,
ansteigen, weil sich die Lawinen gegenseitig weniger behindern. Schließlich
wird das ganze Zählrohr von der Entladung erfaßt und die gebildete
Ladungsmenge hängt nur noch von der Feldstärke und der Zählrohrlänge
ab. Der Stromimpuls ist dann von der Primärionisation unabhängig,
jedes primäre Teilchen erzeugt einen gleich großen Impuls. Dieser
Zählbereich eignet sich besonders gut zur Bestimmung
der Anzahl der eintreffenden Teilchen.
Quelle: Wilhelm Schraml: "Physik 3 - Atomphysik",
Bayrischer Schulbuch-Verlag, München 1974
Geiger-Müller-Zählrohr mit Bleirohr
Wir benutzen zwei gleichartige Zählrohre, die so angeordnet sind,
daß der beobachtete Raumwinkel bestimmbar ist: Es werden nur diejenigen
Ereignisse registriert, die an beiden Zählrohren gleichzeitig eintreffen.
Außerdem ist das eine Zählrohr von einer Bleiummantelung umgeben,
deren Bohrung auf das andere Zählrohr ausgerichtet ist. So wird vermieden,
daß durch die Strahlung der Erde ausgelöste Impulse erfaßt
werden.
Adapter
Spannungsadapter der Zählrohre
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Halterung mit Nachführung
Die Halterung ermöglicht die Veränderung des Abstandes zwischen
den Zählrohren. Auf diese Weise kann der zu beobachtende Raumwinkel
variiert werden. Außerdem wurde das Zählrohrteleskop mit einer
elektronischen Nachführung versehen, um so zum Beispiel über
einen längeren Zeitraum hinweg in Richtung Sonne Messungen durchführen
zu können.
Unsere Schaltung
Die eingehenden Impulse werden zuerst durch einen monostabilen Multivibrator
verstärkt. Durch eine bei jedem eingehenden Impuls leuchtende Glühlampe
wird eine Lichtschranke ausgelöst. Über zwei in Reihe geschaltete
Relais wird erreicht, daß nur gleichzeitig eingehende Impulse erfaßt
werden.
Schaltskizze
Schnittstelle zum PC
Mittels eines Druckerkabels ist unsere Schaltung mit der parallelen
Schnittstelle der PC verbunden. Die Änderungen im Zustand der Busy-Leitung
werden von einem Programm automatisch protokolliert.
Schaltung
© 2007 ZUM
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