Das interaktive Bildschirmexperiment: Der Compton-Effekt


Systemvoraussetzungen:
Dieser Film kann unter Windows 95 bzw. Windows NT abgespielt werden. 
Er ist eine ausfhrbare Datei und bentigt kein zustzliches Programm 
zur Vorfhrung. Der Film steht in verschiedenen Gren zur Verfgung: 
Die Zahlen hinter dem Namen Compton geben die Breite des Filmes in 
Pixel an. Achten sie darauf, dass die Auflsung Ihrer Grafikkarte 
entsprechend hoch eingestellt ist. Die Hhe betreffend passt der Film 
dann auf alle Flle 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 Verfgung steht, desto flssiger luft der Film ab.

Beschreibung:
Der Film ist dazu gedacht, dass Sie in sich Bild fr Bild ansehen. Es 
handelt sich hierbei um keinen Videofilm, sondern um ein Programm, 
das aus Fotoaufnahmen zusammengesetzt ist. Damit die Datei nicht noch 
grer wird, wurde darauf verzichtet, die Bilder so anzuordnen, dass 
sie flieend ineinander bergehen. Benutzen Sie also die 
Schaltflchen, die ein Vorwrts- bzw. Rchwrtsklicken ermglichen.

Dieser Film ist ursprnglich als Ergnzung zum Physikunterricht 
entwickelt worden und somit kein Lernprogramm. Es beinhaltet keine 
Erklrungen oder Herleitungen des Compton-Effektes, sondern liefert 
Ihnen eine Prsentation des Versuches. Dabei gliedert sich der Film 
in drei Szenen: Versuchsaufbau, Messungen und Auswertung. In der 
ersten Szene Versuchsaufbau werden die bentigten Gerte stckweise 
aufgebaut. Die zweite Szene zeigt die eigentliche Messung zum 
Compton-Effekt. Dabei wird zwischen den Streuwinkeln 0 und 120 in 
2 Abstnden gemessen. Dabei knnen 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 Abhngigkeit vom Winkel aufgetragen.

Bedienungsanleitung:

Starten Sie das Programm, indem Sie die ComptonXXX.exe - Datei 
ausfhren.
Als erstes erscheint ein Menbild. Von hier knnen Sie zu den 
einzelnen Abschnitten springen. Es stehen Ihnen als Wahlmglichkeiten 
der Versuchsaufbau, die Messungen und die Auswertung zur Verfgung. 

Whlen 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 Men, mit dem Sie zur Menseite zurckkehren knnen. Mit den 
Tasten weiter und zurck knnen Sie sich durch das Programm bewegen. 
Ist eine der Szenen beendet, kommen Sie direkt in die nchste. Wenn 
die Taste weiter verschwindet, befinden Sie sich am Ende des 
Programmes. Klicken Sie dann auf die Tasten zurck oder Men. Dem 
entsprechend befinden sie sich am Anfang des Programmes, wenn die 
Taste zurck verschwindet.

erste Szene:
In der Szene Versuchsaufbau werden die bentigten Gerte zum 
Experiment stckweise aufgebaut, bis schlielich der gesamte Aufbau 
zu sehen ist. Wenn Ihnen der Verwendungszweck eines der Gerte unklar 
erscheint, fhren Sie die Maus ber dieses Gert. 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 Streukrper und 
dem Detektor, sowie das dem Winkel entsprechende Energiespektrum von 
Am 241. In dieser Szene knnen Sie nun interaktiv mitwirken; im 
ersten Bild werden Sie mit dem Text Hier klicken und ziehen darauf 
hingewiesen. Fahren Sie also mit der Maus ber 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 gedrckt. Statt der 
offenen Hand ist nun eine Faust zu sehen. Halten Sie die Maustaste 
weiter gedrckt 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 ndert sich das Energiespektrum in der rechten Hlfte 
des Bildes entsprechend der einfallenden Strahlung. Setzen wir den 
Winkel im ersten Bild auf 0, so lsst sich diese Bewegung bis zu 
einem Winkel von 120 in 2 Abstnden durchfhren. Natrlich knnen 
Sie die Apparatur auch wieder zurck bewegen. Mit steigendem Winkel 
erscheinen im Energiespektrum grne 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 
Abhngigkeit vom Winkel aufgetragen und schlielich 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-Wellenlnge 

lambda_C = (h)(m_0 c).

Hierbei ist E die Energie der Strahlung, h das Planck'sche 
Wirkungsquantum, lambda_0 die Wellenlnge 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 
Erhaltungsstze von Energie und Impuls hergeleitet werden.

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


Die Messung der Compton-Streuung:
Fr den hier verwendeten Versuchsaufbau wurden folgende Gerte 
verwendet: 

- ein radioaktives Prparat, das harte gamma-Strahlung emittiert: Am 
241
- Streukrper: ein Plexiglaszylinder; dieser eignet sich besonders 
gut, da aufgrund der niedrigen Kernladungszahl Z der totale 
Wirkungsquerschnitt praktisch ausschlielich durch den Comptoneffekt 
bestimmt wird. Elastische (Rayleigh-)-Streuung und Photoeffekt sind 
unbedeutend. Durchmesser: 2 cm, Hhe: 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 fr das radioaktive Prparat
- Stativ fr Detektor
- diverse Kabel


Damit im Film die Winkel besser abgelesen werden knnen, wurden fr 
die Fotos die Bleiabschirmungen entfernt. Der Versuch selbst fand 
natrlich unter Bercksichtigung aller Vorsichtsmanahmen statt. 
Auerdem 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 Hllt 1998 -- 1999

