Didaktische Rekonstruktion der Beschleunigerphysik und Entwicklung eines Lehr-Linearbeschleunigers

Abstract

Für Studierende wie auch für Schülerinnen und Schüler sind die fachlichen Konzepte in Zusammenhang mit der Erklärung des Verhaltens von Teilchen in Beschleunigern recht komplex. Das hier vorgestellte Projekt beschäftig sich damit, das Lernen dieser Konzepte durch nutzbringende didaktische Analogien und Experimente zu erleichtern. Kern der Didaktischen Rekonstruktion ist die Grundannahme, dass Ladungen den elektrischen Raum verändern. Befinden sich mehrere Ladungen dicht gepackt an einem Ort, so bildet sich ein Potentialraum aus, in dem elektrische Felder herrschen und dementsprechend Kräfte auf vorbeifliegende Ladungen wirken. Hierzu wird eine Analogie zum Gravitationspotential vorgeschlagen, die eine Anknüpfung an Alltagserfahrungen ermöglicht.

Als zentrale Experimente werden ein Lehr-Linearbeschleuniger (Lehr-LINAC) und zwei mechanische Tabletop-Versuche entwickelt, die in Analogie zum Gravitations-Potential sowohl den Beschleunigungsprozess als auch das Zustandekommen gepulster Teilchenstrahlen verdeutlichen und für den Einsatz in der gymnasialen Oberstufe sowie in der Hochschullehre genutzt werden sollen. Der Lehr-LINAC wird ein etwa 2m langer 0,5keV-Elektronen-Beschleuniger mit drei Driftröhren/vier Beschleunigungsstufen werden. Im ersten Betrieb eines Prototypen können Elektronenpakete auf eine Geschwindigkeit von v_max=8,39·10⁶ m/s gebracht und während des ganzen Beschleunigungs- und Fokussierungs-Prozesses als Spur im Leuchtgases beobachtet werden.