Das interaktive Bildschirmexperiment: Der Compton-Effekt


Systemvoraussetzungen:
Dieser Film kann unter Windows 95 bzw. Windows NT abgespielt werden. 
Er ist eine ausführbare Datei und benötigt kein zusätzliches Programm 
zur Vorführung. Der Film steht in verschiedenen Größen zur Verfügung: 
Die Zahlen hinter dem Namen Compton geben die Breite des Filmes in 
Pixel an. Achten sie darauf, dass die Auflösung Ihrer Grafikkarte 
entsprechend hoch eingestellt ist. Die Höhe betreffend passt der Film 
dann auf alle Fälle auf Ihren Bildschirm. Sollte der Film an Ihrem 
System zu langsam ablaufen, versuchen Sie es mit einem kleineren 
Format. Falls Ihr CD-ROM-Laufwerk langsamer als die Festplatte ist 
(was meist der Fall ist), kopieren Sie den Film auf Ihre Festplatte. 
Generell gilt: je schneller der Prozessor und je mehr Arbeitspeicher 
zur Verfügung steht, desto flüssiger läuft der Film ab.

Beschreibung:
Der Film ist dazu gedacht, dass Sie in sich Bild für Bild ansehen. Es 
handelt sich hierbei um keinen Videofilm, sondern um ein Programm, 
das aus Fotoaufnahmen zusammengesetzt ist. Damit die Datei nicht noch 
größer wird, wurde darauf verzichtet, die Bilder so anzuordnen, dass 
sie fließend ineinander übergehen. Benutzen Sie also die 
Schaltflächen, die ein Vorwärts- bzw. Rüchwärtsklicken ermöglichen.

Dieser Film ist ursprünglich als Ergänzung zum Physikunterricht 
entwickelt worden und somit kein Lernprogramm. Es beinhaltet keine 
Erklärungen oder Herleitungen des Compton-Effektes, sondern liefert 
Ihnen eine Präsentation des Versuches. Dabei gliedert sich der Film 
in drei Szenen: Versuchsaufbau, Messungen und Auswertung. In der 
ersten Szene Versuchsaufbau werden die benötigten Geräte stückweise 
aufgebaut. Die zweite Szene zeigt die eigentliche Messung zum 
Compton-Effekt. Dabei wird zwischen den Streuwinkeln 0° und 120° in 
2° Abständen gemessen. Dabei können Sie interaktiv eingreifen und den 
Versuch steuern.In der letzten Szene Auswertung werden in einem 
Diagramm die gemessenen Werte der Energie noch einmal zusammengefasst 
und in Abhängigkeit vom Winkel aufgetragen.

Bedienungsanleitung:

Starten Sie das Programm, indem Sie die ComptonXXX.exe - Datei 
ausführen.
Als erstes erscheint ein Menübild. Von hier können Sie zu den 
einzelnen Abschnitten springen. Es stehen Ihnen als Wahlmöglichkeiten 
der Versuchsaufbau, die Messungen und die Auswertung zur Verfügung. 

Wählen Sie eine der Szenen Versuchsaufbau, Messungen oder Auswertung, 
indem Sie mit der Maus auf das entsprechende Bild klicken. In jeder 
dieser Szenen befindet sich in der linken unteren Ecke des Bildes ein 
Knopf Menü, mit dem Sie zur Menüseite zurückkehren können. Mit den 
Tasten weiter und zurück können Sie sich durch das Programm bewegen. 
Ist eine der Szenen beendet, kommen Sie direkt in die nächste. Wenn 
die Taste weiter verschwindet, befinden Sie sich am Ende des 
Programmes. Klicken Sie dann auf die Tasten zurück oder Menü. Dem 
entsprechend befinden sie sich am Anfang des Programmes, wenn die 
Taste zurück verschwindet.

erste Szene:
In der Szene Versuchsaufbau werden die benötigten Geräte zum 
Experiment stückweise aufgebaut, bis schließlich der gesamte Aufbau 
zu sehen ist. Wenn Ihnen der Verwendungszweck eines der Geräte unklar 
erscheint, führen Sie die Maus über dieses Gerät. Es erscheint dann 
der Name und/oder Zweck des Gegenstandes. 

zweite Szene:
Die Szene Messungen zeigt nur die wesentlichen Teile des Versuches: 
die Winkelscheibe mit dem gamma-Strahler Am 241, dem Streukörper und 
dem Detektor, sowie das dem Winkel entsprechende Energiespektrum von 
Am 241. In dieser Szene können Sie nun interaktiv mitwirken; im 
ersten Bild werden Sie mit dem Text “Hier klicken und ziehen” darauf 
hingewiesen. Fahren Sie also mit der Maus über die markierte Stelle - 
ein roter Kreis, in dem sich eine rote Pfeilspitze befindet. Der 
Mauszeiger wird sich dann in eine offene Hand verwandeln. Klicken Sie 
nun mit der Maus und halten Sie die Maustaste gedrückt. Statt der 
offenen Hand ist nun eine Faust zu sehen. Halten Sie die Maustaste 
weiter gedrückt und ziehen Sie die rote Pfeilspitze an dem Rand der 
Kreisscheibe nach unten. Die rote Pfeilspitze, sowie das bewegliche 
Stativ mit dem gamma-Strahler Am 241 werden die Bewegung mitmachen. 
Gleichzeitig ändert sich das Energiespektrum in der rechten Hälfte 
des Bildes entsprechend der einfallenden Strahlung. Setzen wir den 
Winkel im ersten Bild auf 0°, so lässt sich diese Bewegung bis zu 
einem Winkel von 120° in 2° Abständen durchführen. Natürlich können 
Sie die Apparatur auch wieder zurück bewegen. Mit steigendem Winkel 
erscheinen im Energiespektrum grüne Linien mit den Beschriftungen 0°, 
30°, 60° und 90°. Diese Linien zeigen den Mittelwert des 
Energieausschlages des entsprechenden Winkels. Sie sollen lediglich 
zum Vergleich dienen und das Wandern der Kurve zu niedrigeren 
Energiewerten ersichtlicher machen.

dritte Szene
In der letzten Szene Auswertung werden in einem Diagramm die 
gemessenen Werte der Energie noch einmal zusammengefasst und in 
Abhängigkeit vom Winkel aufgetragen und schließlich noch die 
theoretische Kurve eingezeichnet. Die Formel der theoretischen Kurve 
lautet:

E = (hc)(lambda) = (hc)(lambda_0 + lambda_C(1-cos(alpha))),

mit der Compton-Wellenlänge 

lambda_C = (h)(m_0 c).

Hierbei ist E die Energie der Strahlung, h das Planck'sche 
Wirkungsquantum, lambda_0 die Wellenlänge der nicht gestreuten 
Strahlung und alpha der Winkel zwischen der einfallenden und der 
gestreuten Strahlung. Diese Formel kann durch relativistische 
Berechnung und entsprechendes gegenseitiges Einsetzen der 
Erhaltungssätze von Energie und Impuls hergeleitet werden.

An dieser Stelle haben Sie das Ende des Programmes erreicht. Benutzen 
Sie nun die Taste zurück, um sich die letzten Bilder noch einmal 
anzusehen, oder die Taste Menü, um ins Menü zurückzukehren.


Die Messung der Compton-Streuung:
Für den hier verwendeten Versuchsaufbau wurden folgende Geräte 
verwendet: 

- ein radioaktives Präparat, das harte gamma-Strahlung emittiert: Am 
241
- Streukörper: ein Plexiglaszylinder; dieser eignet sich besonders 
gut, da aufgrund der niedrigen Kernladungszahl Z der totale 
Wirkungsquerschnitt praktisch ausschließlich durch den Comptoneffekt 
bestimmt wird. Elastische (Rayleigh-)-Streuung und Photoeffekt sind 
unbedeutend. Durchmesser: 2 cm, Höhe: 7,7 cm
- Vielkanalanalysator: Szintillations-Detektor, bestehend aus NaJ-
Kristall und Kernstrahlungsmesssystem 
- Parsche-Interface mit Analog-S-in Einschub (Analog-Digital-Wandler)
- Computer: PC 286, mit Vielkanalanalyse-Programm
- Winkelscheibe: 1°-Einteilung, 30 cm Durchmesser
- drehbar gelagertes Stativ für das radioaktive Präparat
- Stativ für Detektor
- diverse Kabel


Damit im Film die Winkel besser abgelesen werden können, wurden für 
die Fotos die Bleiabschirmungen entfernt. Der Versuch selbst fand 
natürlich unter Berücksichtigung aller Vorsichtsmaßnahmen statt. 
Außerdem wurde der Bereich zwischen Detektor und gamma-Strahler 
ebenfalls durch Blei abgeschirmt. Mit Hilfe des Computerprogramms 
konnte der Untergrund -- der durch Messung ihne den gamma-Strahler 
entstand -- von den gemessenen Energiespektren abgezogen werden.


copyright Daniela Höllt 1998 -- 1999

