Nebelkammer

Spuren in einer kontinuierlichen Nebelkammer, verursacht durch ionisierende Strahlung (kurze dicke Spuren: α-Teilchen; lange dünne Spuren: β-Teilchen).
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Als Nebelkammer wird in der Physik ein Teilchendetektor bezeichnet, der dem Nachweis von ionisierender Strahlung bzw. von Kernreaktionen dient und für manche Teilchen dabei auch die Bahn sichtbar macht. Nebelkammern werden heute hauptsächlich zu Demonstrationszwecken verwendet.

Nebelkammer am DESY (kurze dicke Spuren: α-Teilchen; dünne Spuren: β-Teilchen).

Nebelkammer allgemein

Eine Nebelkammer ist meist mit einem übersättigten Luft-Alkohol-Gemisch (Ethanol oder Isopropanol) gefüllt. Wenn ein geladenes Teilchen das Gas durchquert, ionisiert es einzelne Atome des Gases. Ist die Kammer staubfrei, wirken die so entstandenen Ionen als Kondensationskerne, und somit entstehen auf dem Weg des Teilchens durch die Nebelkammer sichtbare Kondensationsstreifen.

Ablenkung radioaktiver Strahlung im Magnetfeld einer Nebelkammer

Durch Ablenkung des Teilchens mittels eines geeigneten elektrischen oder magnetischen Feldes können anhand der entstehenden Bahnkurven Aussagen über die Masse, Ladung und damit letztlich die Art des betreffenden Teilchens gemacht werden (siehe Abb.). In einfachen Nebelkammern befindet sich dazu meist ein starker Permanentmagnet am Boden der Kammer, der die geladenen Teilchen mittels der Lorentzkraft auf eine mehr oder weniger gekrümmte Kreisbahn zwingt.

Auch ohne Präparat befindet sich in unserer Umwelt ein gewisses Maß an Alpha- und Betastrahlung, die man mit der Nebelkammer sichtbar machen kann:

• Alpha-Teilchen erzeugen dicke, fast gerade Spuren von nur wenigen Zentimetern Länge. Obwohl sie aufgrund ihrer Ladung zwar prinzipiell von Magnetfeldern abgelenkt werden, beträgt ihr Bahnradius infolge der hohen Masse der α-Teilchen meist mehrere Meter, so dass ihre Bahnen praktisch gerade erscheinen.
• Beta-Teilchen erzeugen dünne, gekrümmte Spuren mit wenigen Zentimetern Länge. Oft entstehen auch Knicke in der Bahn. Da Beta-Teilchen nichts anderes als Elektronen sind, haben sie eine geringe Masse und sind damit auch leicht ablenkbar.
• Beta-Plus-Teilchen (Positronen) erzeugen wie auch die „normalen“ negativ geladenen Betateilchen dünne gekrümmte Spuren, die jedoch nun in dieselbe Richtung gebogen sind wie bei α-Teilchen (siehe Abb.). Da Positronen in der natürlichen Umgebungsstrahlung allerdings kaum vorkommen, benötigt man zu ihrer Erzeugung radioaktive Präparate wie etwa Natrium-22.
• Gammastrahlung erzeugt in der Nebelkammer keine bzw. nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit Spuren: Da Gammastrahlung selbst ungeladen ist, kann sie nur indirekt nachgewiesen werden, etwa dadurch, dass sie in Sekundärprozessen (Photoeffekt oder Comptoneffekt) wieder geladene Teilchen erzeugt. Da die Dichte des Luft-Alkohol-Gemischs in einer Nebelkammer jedoch recht niedrig ist, ist auch die Wahrscheinlichkeit solcher Sekundärprozesse im Fall der Nebelkammer gering.
• Neutronenstrahlung erzeugt in der Nebelkammer ebenfalls keine bzw. nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit Spuren: Da sie wie die Gammastrahlung selbst ungeladen ist, kann auch sie in diesem Fall nur indirekt nachgewiesen werden.

Arten von Nebelkammern

Je nach Art der Erzeugung des übersättigten Luft-Alkohol-Gemischs wird zwischen nicht-kontinuierlichen sowie kontinuierlichen Nebelkammern unterschieden:

Nicht-kontinuierliche Nebelkammer / Expansionsnebelkammer

Expansionsnebelkammer:

• radioaktives Präparat
• Beleuchtung
• gesättigtes Wasser-Spiritus-Gemisch
• Pumpe
• Beobachtungsfenster

Die Wilsonsche Nebelkammer (benannt nach ihrem Erfinder Charles Thomson Rees Wilson, 1869–1959) erzeugt die Übersättigung durch eine schnelle Expansion. Durch Herausziehen eines Kolbens (siehe nebenstehende Abb.) vergrößert sich das Volumen der Luft in der Nebelkammer, der Druck und damit auch die Temperatur sinkt. Dadurch ist der Dampf übersättigt und man braucht nur kleine Kondensationskeime, um eine Nebelspur zu erzeugen. Da die Luft nur kurze Zeit abkühlt, ist die Expansionsnebelkammer nur ungefähr eine Sekunde lang fähig, Nebelspuren zu erzeugen. Man kann somit nur einen kurzen "Schnappschuss" erzeugen und muss nach einer Pause dann erneut den Kolben herausziehen.

Kontinuierliche Nebelkammer / Diffusionsnebelkammer

Die Diffusionsnebelkammer erzeugt die Übersättigung durch eine Kühlung der Bodenplatte auf ca. −30 °C. Ungefähr 10 cm über dem Boden befinden sich Heizdrähte, die das Luft-Alkohol-Gemisch im oberen Bereich auf einer Temperatur von ca. +15 °C halten. Zwischen Boden und Decke gibt es somit ein Temperaturgefälle und es entsteht knapp über dem Boden eine übersättigte Schicht, in der die Erzeugung von Nebelspuren möglich ist. Die Diffusionsnebelkammer kann viele Stunden in Betrieb bleiben. Nebelspuren, die sich an den Ionen bilden, verschwinden eher wieder und lassen neue Spuren eher sichtbar werden, wenn durch eine „Saugspannung“ zwischen Boden und Decke die freien Ionen der alten Nebelspuren immer wieder „abgesaugt“ werden. Ein solcher „Ionensauger“ ist nützlich, aber nicht zwingend notwendig.

Siehe auch

• Weitere Teilchendetektoren sind die Blasenkammer, die Funkenkammer und der Szintillationszähler.
• Drahtkammer
• Hodoskop

Weblinks

• Nebelkammer (LEIFI-Physik)
• Original der Wilsonschen Nebelkammer (in englischer Sprache)
• Nebelkammer - (Grundlagen der Teilchenphysik)
• Animation einer Nebelkammer, BIGS