Nebelkammer

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir wollen uns heute, wieder aus dem Gebiet der Atom- und Kernphysik, die Nebelkammer genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr bereits das Video zur Alpha-, Beta- und Gammastrahlung gesehen haben, da dort das Ionisationsvermögen behandelt wird und wir uns kurz mit der Alpha-, Beta- und Gammastrahlung in der Nebelkammer beschäftigen. Und los gehts! Wir lernen heute, was eine Nebelkammer ist, wie sie funktioniert und was der Unterschied zwischen einer Diffusions- und einer Expansionsnebelkammer ist. Dann mal auf zur ersten Frage: Was ist denn eine Nebelkammer? Eine Nebelkammer ist ein Teilchendetektor zur Untersuchung ionisierender Strahlung. Wenn man das Ganze ein bisschen anschaulicher erklären will, kann man auch sagen, eine Nebelkammer ist ein Gerät, in dem die Bahn eines ionisierenden Teilchens sichtbar gemacht wird. Heutzutage werden Nebelkammern meistens nur noch zu Anschauungszwecken verwendet. Anfang des 20. Jahrhunderts aber, als die verschiedenen Strahlungsarten und Elementarteilchen eingehend untersucht wurden, war sie das Topgerät. Rutherford zum Beispiel sagte einmal, dass die Wilsonsche Nebelkammer das großartigste Instrument ist, das die Wissenschaft je hervorgebracht hat. Mit der Nebelkammer wurde zum Beispiel auch 1932 von Carl David Anderson das Positron entdeckt. Links seht ihr das erste Foto von der Bahn eines Positrons, das jemals aufgenommen wurde. Vier Jahre später bekam er dafür auch den Nobelpreis. So weit, so gut. Mit einer Nebelkammer kann man also die Bahn eines ionisierenden Teilchens sichtbar machen. Aber wie funktioniert sie nun genau? Stellt euch die Nebelkammer am besten wie eine Art Aquarium vor, das mit einem Luft-Alkohol-Gemisch gefüllt ist. Dieses Luft-Alkohol-Gemisch muss übersättigt sein, das heißt, ganz kurz davor kleine Kondensationströpfchen zu bilden. Da genau auf diese Art auch gewöhnlicher Nebel entsteht - in gesättigter Luft bilden sich kleinste Tröpfchen, die die Sichtweite einschränken -, nennt man unser Instrument also die Nebelkammer. Oft wird dazu ein starker Magnet installiert, der in der Nebelkammer ein Magnetfeld erzeugt, sodass geladene Teilchen auf eine Kreisbahn gelenkt werden. So, dann ist unsere Nebelkammer schon fertig gebaut. Jetzt wollen wir mal sehen, was passiert, wenn ionisierende Strahlung in sie eintritt. Wie wir bereits wissen, kann ionisierende Strahlung Elektronen aus Atomen herausschlagen. Unsere Strahlung wird also, entlang ihrer Bahn, Ionen zurücklassen. Da unser Luft-Alkohol-Gemisch übersättigt ist, reichen diese kleinen ionisierten Atome aus, um sogenannte Kondensationskerne zu bilden, das heißt, Zentren, an denen sich kleine Tröpfchen bilden. Da diese kleinen Tröpfchen überall entlang der Bahnen unserer Strahlung entstehen, bilden sich also, genau wie bei einem Flugzeug am Himmel, Kondensationsstreifen. Hier seht ihr zum Beispiel ein Bild aus der Nebelkammer vom deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg. Wie ihr erkennen könnt, sind die einzelnen Bahnen deutlich sichtbar. Wie erkenne ich jetzt nun aber, was was ist? Dazu müssen wir uns mal ansehen, welche Bahnen welche Sorte von Strahlung genauer hinterlässt: Wie ihr euch vielleicht erinnert, ist Alphastrahlung sehr kurzreichweitig, ionisiert dafür stark und ist sehr schwer. Das heißt, die Streifen, die sie zurücklassen wird, sind äußerst dick, kurz und gerade, da die Alphastrahlen zwar vom Magnetfeld abgelenkt werden, aufgrund ihres Gewichtes aber eine Kreisbahn von mehreren Metern Radius beschreiben. Das heißt, auf die kurze Entfernung, die sie zurücklegen, wirkt ihre Spur gerade. Betastrahlen dagegen sind leichter, haben eine höhere Reichweite und nur mittleres Ionisationsvermögen, weswegen man sie an den dünneren, etwas längeren Streifen erkennen kann, die deutlich kreisförmiger sind und oft auch Knicke aufweisen, da die Betastrahlung sich leicht zerstreuen lässt. Gammastrahlen sind wegen ihres geringen Ionisationsvermögens meistens in Nebelkammern gar nicht nachzuweisen. Wenn man sie dann doch sehen kann, ist es oft, wenn sie über Sekundärprozesse geladene Teilchen auslösen, wie zum Beispiel durch den Photo- oder Comptoneffekt. So weit, so gut. Dann wollen wir uns zum Schluss noch ansehen, welche Arten von Nebelkammern es eigentlich gibt. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen den Expansionsnebelkammern und den Diffusionsnebelkammern. Als erstes wollen wir uns mal die Expansionsnebelkammer genauer ansehen:

Die Expansionnebelkammer, oft nach ihrem Erfinder auch die Wilsonsche Nebelkammer genannt, verfolgt ein sehr einfaches Prinzip: Die Kammer wird mit dem Gemisch gefüllt und dann wird ein Kolben herausgezogen, wodurch sich das Volumen des Gases vergrößert und Druck und Temperatur sinken. Dadurch wird das Gas schlagartig übersättigt und für eine kurze Zeit können Spuren von ionisierenden Teilchen nachgewiesen werden. Mit diesem Vorgehen habe ich mir also eine Nebelkammer gebaut, die für ca. 1 Sekunde die Bahn von ionisierenden Strahlen verfolgen kann. Die Expansionsnebelkammer ist also eine relativ billige Variante, ist allerdings aber auch nur für Schnappschüsse gut. Die Diffusionsnebelkammer dagegen ist schon ein wenig komplizierter: In der Diffusionsnebelkammer wird der Boden gekühlt, auf etwa -30°C und 10 bis 15cm darüber befinden sich Heizdrähte, die die Luft um sie herum konstant auf ungefähr 15°C plus halten. Durch dieses Temperaturgefälle entsteht knapp über dem Boden eine Schicht von übersättigtem Gas, in dem sich wieder leicht Kondensationskerne bilden lassen. Oft wird in einer Diffusionsnebelkammer außerdem eine Pumpe installiert, damit ich die Ionen abpumpen kann, um meine Kammer wieder sauber zu machen für neue Versuche. Die Diffusionsnebelkammer ist also eine wesentlich teurere und kompliziertere Variante, allerdings kann ich sie mehrere Stunden laufen lassen und nicht nur eine Sekunde lang. So, dann wollen wir noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Die Nebelkammer ist ein Teilchendetektor zur Untersuchung ionisierender Strahlung. In ihr werden die Bahnen ionisierender Teilchen sichtbar gemacht. Dies geschieht, indem in der Kammer ionisierte Atome zu Kondensationskernen werden, wodurch sich entlang der Bahnen der ionisierenden Strahlung kleine Tröpfchen bilden und Kondensationsstreifen entstehen. Die dafür notwendige Übersättigung des Luft-Alkohol-Gemischs wird in der Expansionsnebelkammer durch das Herausziehen eines Kolben verursacht. Dieser Zustand hält dort aber nur eine Sekunde an. In der Diffusionsnebelkammer dagegen wird die Übersättigung durch ein starkes Temperaturgefälle erzeugt, sodass man die Diffusionsnebelkammer mehrere Stunden lang laufen lassen kann. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis bald! Euer Kalle