Versuche mit dem Fadenstrahlrohr

Eindrücke aus der Physik

Physik als Leistungsfach mag zwar sicherlich eine anspruchsvolle Wahl sein, dennoch kommt man schnell auf seine Kosten, wenn man Freude am Experimentieren und Rechnen hat. Besonders beeindruckt hat uns das Fadenstrahlrohr-eine experimentelle Vorrichtung, die uns Herr Dr. Kittmann im Rahmen des Gebiets Elektromagnetismus vorgestellt hat. Dabei handelt es sich um einen weitgehend evakuierten Glaskolben mit einer sogenannten Elektronenkanone, die einen leuchtenden Elektronenstrahl erzeugt. Das Leuchten kommt von der Wechselwirkung zwischen den Elektronen der Elektronenkanone und den wenigen im Kolben enthaltenen Gasmolekülen. Die angelegte Beschleunigungsspannung an der Elektronenkanone reguliert die Geschwindigkeit des austretenden Elektronenstrahls und nebenbei auch die Leuchtkraft des Strahls, weshalb es im Sinne der guten Sichtbarkeit wichtig ist, sie möglichst hoch zu wählen. Dieser Glaskolben ist des Weiteren von einem homogenen Magnetfeld zweier danebenliegender Spulen durchsetzt. Aufgrund genau dieses Magnetfelds wirkt auf den Elektronenstrahl eine magnetische Kraft, die jedes einzelne Elektron auf eine ebene Kreisbahn zwingt, sofern die Elektronenkanone senkrecht zur Magnetfeldrichtung gerichtet ist. Dieser leuchtende Elektronenring im Glaskolben sieht nicht nur beeindruckend aus: Sein Durchmesser kann bei zusätzlich bekannter Magnetfeldstärke und Beschleunigungsspannung zur Bestimmung der Elektronenmasse dienen.

Unsere Aufgabe war es, mit dem Fadenstrahlrohr selbständig eine möglichst präzise Messung der Elektronenmasse durchzuführen und anschließend mit dem Literaturwert zu vergleichen. Als besonders schwer stellte sich dabei die Messung des Kreisbahndurchmessers heraus, weil der Glaskolben hier im Weg ist und keinen direkten Zugang zum Elektronenstrahl ermöglicht. Um diese Problematik zu beseitigen, war es für uns Physiker nun notwendig kreativ zu werden, wobei sich unser Team schlussendlich Folgendes überlegte: Nehmen wir eine Fotografie vom Elektronenstrahl zusammen mit einer Referenzgröße, wie einem Lineal, auf, können wir so den Durchmesser mit den relativen Größen in der Bildaufnahme bestimmen. Dadurch konnten wir unkompliziert messen und das Problem umgehen.

Der besondere Reiz an der Physik ist, dass es sich zwar um ein anspruchsvolles Gebiet handelt, dafür aber auch um ein Gebiet, das spürbar besonderen Einfallsreichtum, Fleiß und Hartnäckigkeit beim praktischen Experimentieren sowie beim Durchführen theoretischer Überlegungen belohnt. So waren auch wir sehr erfreut zu sehen, dass unser experimentell bestimmter Wert für die Elektronenmasse nur um zwei Prozent vom Literaturwert abweicht. Anhand dieses Experiments ist also gut zu erkennen, warum es sich lohnt, nicht bei der ersten Schwierigkeit aufzugeben, sondern es weiterhin zu versuchen, sodass man stolz auf sich sein kann, wenn die eigenen Bemühungen schließlich zum Erfolg führen.

Text und Foto: Raphael Link, Andreas Müller, Gabriel Richter, Annalena Stangl