Einführung

Einleitung

Warum ist der Himmel blau? Diese Frage wurde sicherlich in keinem physikalischen Unterricht ausgelassen und glücklicherweise ist die Erklärung eigentlich recht simpel. Das Licht der Sonne trifft auf kleinste Teilchen in der Atmosphäre und wird daran abgelenkt, genauer gesagt: Sie werden gestreut. Typischerweise wird dabei das blaue Licht stärker gestreut als längerwelliges rotes Licht. Am Tag ist der Weg durch die Atmosphäre für das Licht jedoch vergleichsweise kurz und es wird weniger blaues Licht gestreut als am Abend, wenn die Sonne gerade über dem Horizont verschwindet. Daher erscheint uns der Himmel am Abend rötlicher.

Dieses Prinzip der Streuung findet sich in zahlreichen Gebieten der Physik wieder. Im einfachsten Fall kann man es sich wie aneinanderstoßende Billiardkugeln vorstellen. In der Kernphysik untersucht man zum Beispiel die Streuung von Elektronen an Protonen um eine besonders grundlegende Frage zu beantworten. Welchen Radius hat ein Proton? Auf diese Frage hat die moderne Physik noch keine besonders zufriedenstellende Antwort gefunden und spornt WissenschaftlerInnen weiter zu Höchstleistungen an. Denn so einfach zu beantworten, wie die Frage vielleicht den Anschein macht, ist sie leider nicht.

Um den Radius eines Protons zu bestimmen verwenden die Forscherinnen und Forscher des A1 Experiments am Mainzer Mikrotron Elektronen. Diese werden auf einer festen ‘Rennbahn’ beschleunigt und anschließend auf Protonen geschossen. Als Protonen verwenden die WissenschaftlerInnen unter anderem Wasserstoffatome. Ein Streuexperiment kann dann beispielsweise so aussehen, wie in dem linken Bild zu sehen. Elektronen mit reichlich Abstand zum Proton, dem Wasserstoffkern, werden nicht abgelenkt. Je genauer ein Elektron jedoch an das Zentrum des Protons gelangt, umso stärker wird es abgelenkt. Dem aufmerksamen Leser ist sicherlich aufgefallen, das ein Wasserstoff neben einem Proton auch noch ein Elektron besitzt. Das Elektron des Wasserstoff wollen wir in dieser Betrachtung aber erstmal außer Acht lassen. In der Fachsprache spricht man übrigens nicht von ‘starker oder schwacher Ablenkung’ sondern man verwendet den Begriff des Streuwinkels. Hier wollen wir ein solches Experiment einmal mit einfachen Mitteln nachstellen. Dazu bietet die Johannes Gutenberg-Universität Streubretter an. Dazu jetzt also mehr.

Streubretter

Ähnlich zu den Elektronen, die mit Protonen kollidieren, verwenden wir bei einem Streubrett kleine Metallkugeln, die auf einer Rampe auf das Streubrett rollen. Das Proton wird jetzt ersetzt durch einen kleinen Holzkörper, an dem die Kugeln streuen können. Das, was bei dem A1 Experiment ein riesiger roter, grüner und blauer Turm ist die die Elektronen unter bestimmten Winkeln messen, sind in unserem Streubrett-Aufbau 12 Lichtschranken, die durchgehende Kugeln registrieren. In diesem Experiment zählen wir also die Anzahl Kugeln, welche in diese 12 Richtungen abgelenkt wurden. Anschließend können wir die gezählte Anzahl Kugeln in einem sogenannten Histogramm (oder auch Balkendiagramm genannt) eintragen. Die Höhe eines jeden Balkens entspricht nun die Anzahl der Kugeln, die eine bestimmte Lichtschranke gezählt hat. Jeder Balken entspricht also einer Lichtschranke beziehungsweise einem Streuwinkel unter dem die Lichtschranke die gestreuten Kugeln misst.

Forschungsauftrag

Mit Streubrettern lässt sich so einiges anstellen. Natürlich könnt ihr auch eure eigene Fragestellung entwickeln und mit den Streubrettern bearbeiten. Für den Anfang haben wir euch jedoch ein paar Aufgaben vorbereitet, die ihr mit den Streubrettern bearbeiten könnt. Geht dazu auf die Seite Auswertung um mehr zu erfahren.

Viel Spaß beim Experimentieren!