Relativistische Masse (im Aufbau)

Versuch von Bucherer

Anfang des 20.Jh. gab es zahlreiche Experimente, die eine Abhängigkeit der Masse von der Geschwindigkeit untersuchten. Einer der bekanntesten ist der Versuch von Bucherer, den er 1908 veröffentlichte ( Quelle ).

Den prinzipiellen Aufbau des Versuches zeigt folgende Abbildung.

Versuchsaufbau:

Da man die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse untersuchen will, muss man „Körper“ haben, die unterschiedliche Geschwindigkeiten mit hohen Werten aufweisen. Am Anfang des 20 Jh. hatte man die Radioaktivität entdeckt (Curie, Becquerel usw.). Man wusste, dass Teilchen hoher Geschwindigkeit abgestrahlt wurden (Rutherford). Bucherer interessierte sich für die Betastrahlung, die ein kontinuierliches Geschwindigkeitsspektrum aufweist, d.h. die Betastrahlung weist ganz unterschiedliche hohe Geschwindigkeiten auf. Es handelt sich dabei um Elektronen mit typischen Geschwindigkeiten im Bereich von 0,1c bis 0,9c, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ( c ≈ 300 00 000 m/s ) ist.

Bucherer benutzte ein Radiumfluorid, welches links angedeutet ist. Die Betastrahlung gelangt danach in einen Plattenkondensator, der als Geschwindigkeitsfilter benutzt wird, ein soge-nannter Wienscher-Geschwindigkeitsfilter. Der Geschwindigkeitsfilter dient dazu, nur Elektronen ganz bestimmter Geschwindigkeit in den rechten Bereich mit dem Magnetfeld zu lassen. Im reinen Magnetfeld (rechter Bereich) werden die Elektronen aufgrund der Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gezwungen.

Versuchsdurchführung:

Da aus dem radioaktiven Präparat Elektronen unterschiedlicher Geschwindigkeit entweichen, wird zunächst durch die Änderung der Kondensatorspannung eine bestimmte Geschwindig-keit festgelegt für die Elektronen, die bis zum rechten Magnetfeld gelangen. Hier kann man über den Radius die Masse der Elektronen berechnen werden.

Theorie zum Versuch:

1. Quelle der Betastrahlung:

Bucherer benutzte für seine Versuche eine Radiumverbindung. Radium ist eigentlich vor allem als Alpha-Strahler bekannt. Einige Isotope und Zerfallsprodukte (Radium B, Radium C) sind allerdings Beta-Strahler. Betastrahlung ist eine Teilchenstrahlung und besteht aus sehr schnellen Elektronen, die ganz unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen (s. hierzu „Radioaktive Strahlung“; Hinweis: noch im Aufbau)

2. Wienscher Geschwindigkeitsfilter:

Im Wienschen Geschwindigkeitsfilter werden zwei Felder übereinandergelegt. Einmal ein elektrische Feld zwischen den Kondensator-platten (E-Feld) und ein magnetisches Feld (B-Feld). Diese Felder stehen senkrecht zueinander. Man sagt auch, dass „gekreuzte“ Felder vorliegen. Es wirken dann auf das Elektron die elektrische Feldkraft FE und die Lorentzkraft FL. Die elektrische Feldkraft wirkt nach oben, die Lorentzkraft nach der Drei-Finger-Regel nach unten. Falls beide Kräfte gleich groß sind, kann sich das Elektron geradlinig durch die gekreuzten Felder bewegen. (s.Formeln)

3. Magnetfeldbereich

In das Magnetfeld werden die Elektronen wie im Kondensator senkrecht eingeschossen. Die Lorentzkraft wirkt somit (Drei-Finger-Regel) nach unten, da das Magnetfeld in die Papierebene zeigt. Die Lorentzkraft zeigt immer senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung, so dass bei einem senkrechten Einschuss eine Kreisbahn auftritt. Die Lorentzkraft bildet somit die Radialkraft, die die Elektronen auf eine Kreisbahn zwingt. (s. Fadenstrahlrohr; Hinweis: noch im Aufbau)