Eine Nebelkammer ist ein Gerät zum Aufspüren ionisierender Teilchen und zur Bestimmung ihrer Flugbahnen. Sie zeigt nicht die Teilchen selbst an, sondern wo sie gewesen sind: Die Teilchen bilden in der Kammer eine Kondensationsspur, die als feiner Nebel sichtbar ist und den Weg eines Teilchens durch die Kammer anzeigt.
Was kann sie erkennen?
Wolkenkammern werden zum Nachweis ionisierender Teilchen verwendet. Dazu kann jedes elektrisch geladene Teilchen gehören, das die Kammer durchläuft, und aus den Spuren in der Kammer lässt sich der Grad der Ionisierung ableiten und zur Bestimmung der Eigenschaften und der Identität eines Teilchens verwenden. Nebelkammern wurden insbesondere zur Untersuchung radioaktiver Elemente verwendet, da Alpha-, Beta- und Gammastrahlung alle ionisierend sind (wobei Alpha am stärksten ist). Auch die kosmische Strahlung kann in Nebelkammern nachgewiesen werden, da die in Teilchenschauern entstehenden Sekundärstrahlen ionisierende Teilchen wie Myonen und Elektronen sind. Die kosmische Strahlung wurde zu einem intensiven Untersuchungsgebiet für Funkenkammern
, aber die meisten der ersten großen Entdeckungen, die mit ihr gemacht wurden, wie die Entdeckung des Positrons und des Kaons, wurden in Nebelkammern gemacht.
Wie funktioniert sie?
Die erste Nebelkammer verwendete mit Wasser gesättigte Luft in einer Glaskammer. Der Boden dieser Kammer konnte heruntergezogen werden, um das Volumen der Kammer zu vergrößern, wodurch sich auch das Gas darin ausdehnte und somit Arbeit verrichtete. Diese Veränderung ist jedoch adiabatisch, d. h. es findet keine Wärmeübertragung statt. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie erhalten bleibt und weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Daher wissen wir, dass die Energie für diese Ausdehnung von irgendwoher stammen muss, in diesem Fall von der inneren Energie des Gases. Die innere Energie hängt mit der Temperatur der Gasmoleküle zusammen. Wenn sich also die Kammer ausdehnt, sinkt die Temperatur. Dies bringt den Wasserdampf in die Nähe der Kondensation, wodurch er übersättigt wird (siehe Anhang für weitere Einzelheiten). Wenn ein ionisierendes Teilchen, z. B. Alpha- oder Betastrahlung, diesen Dampf durchdringt, wirken die gebildeten Ionen als Kondensationspunkte für den umgebenden Dampf, was zur Bildung sichtbarer Wolken führt. Modernere Nebelkammern (so genannte Diffusionskammern) funktionieren anders als das ursprüngliche Gerät, da sie Alkohol anstelle von Wasser verwenden und das Volumen der Kammer nicht verändern, sondern Trockeneis zur Kühlung des Bodens der Kammer verwenden. Der Alkohol wird in einem Gewebe am oberen Ende der Kammer getränkt, das viel wärmer ist als der Boden der Kammer; die Alkoholdämpfe fallen daher zum Boden des Tanks, wo sie einen Punkt der Übersättigung erreichen. Die Wolkenspuren können zur weiteren Beobachtung fotografiert werden, um die Art des Teilchens, das die Spur verursacht hat, zu bestimmen; häufige Richtungsänderungen deuten beispielsweise auf häufige Wechselwirkungen mit Gasmolekülen hin, was normalerweise durch Alphateilchen (die am stärksten ionisierende Form der Strahlung) angezeigt wird. In der Kammer kann ein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt werden, wodurch geladene Teilchen eine Kurve machen. Positive und negative Teilchen krümmen sich in unterschiedliche Richtungen, wodurch sie voneinander unterschieden werden können.
Entwicklung der Nebelkammer
| Jahr | Entwicklung |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson erfindet die Nebelkammer, um kleine Wolken im Labor herzustellen, aufgrund seines Interesses an ihrer Bildung und den damit verbundenen elektrischen und optischen Phänomenen |
| 1910 | Wilson erkennt, dass die Nebelkammer zur Identifizierung und Beschreibung neu entdeckter subatomarer Teilchen, die von radioaktiven Materialien ausgesandt werden, verwendet werden könnte |
| 1924 | Patrick Blackett verwendet die Nebelkammer, um die Umwandlung von Stickstoff in Fluor zu beobachten, das dann in Sauerstoff zerfällt |
| 1932 | Blackett und Giuseppe Occhialini entwickelten ein System von Geigerzählern, die nur dann Fotos machten, wenn eine kosmische Strahlung in die Kammer eindrang. Blackett hatte auch eine andere Möglichkeit gefunden, die Forschungsarbeit zu beschleunigen, indem er eine gefederte Blende verwendete, um die Kammer schnell wieder auf die Bedingungen einzustellen, die für die Beobachtung einer Wolkenspur erforderlich waren |
| 1933 | Carl D. Anderson entdeckt ein Anti-Elektron, das Positron, in einer Nebelkammer |
| 1936 | Alexander Langsdorf modifiziert die Kammer zu ihrer modernen Variante, der Diffusionskammer. Die Verwendung von Trockeneis zur Bildung eines Temperaturgradienten bedeutete, dass es immer einen übersättigten Bereich gab, so dass Teilchen ständig nachgewiesen werden konnten |
| 1947 | G.D. Rochester und Clifford Charles Butler veröffentlichen die ersten Nebelkammerbilder, die Nachweise für Kaon |
Wodurch wurden Nebelkammern ersetzt?
Nebelkammern waren der Hauptdetektortyp, der in der Teilchenphysik bis in die 1950er Jahre verwendet wurde, als sie durch Blasenkammern und Funkenkammern ersetzt wurden. Diese sind empfindlichere und praktischere Geräte, die detailliertere und genauere Messungen der Teilcheneigenschaften ermöglichen.
Weitere Lektüre
- Discovering Particles Nebelkammerseite
- Cambridge Physics Nebelkammerseite
- Wie man eine Nebelkammer zu Hause baut (CERN)
- Nebelkammer-Aktivitäten für Schulen (Universität Birmingham)
Bilder
Hier sind einige Bilder der Birmingham Fischtank-Nebelkammer zu sehen.
Anhang
Eine etwas technischere mathematische Erklärung, warum die Übersättigung in einer Nebelkammer auftritt, finden Sie hier.