Wilson-Kammer

In der Physik wird mit der Nebelkammer ein Teilchendetektor bezeichnet, welcher 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.

Spuren in einer kontinuierlichen Nebelkammer, verursacht durch ionisierende Strahlung (kurz, dick: α-Teilchen; lang, dünn: β-Teilchen).
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Nebelkammer am DESY. (kurze, dicke Streifen: α-Teilchen; dünne Streifen: β-Teilchen).

Nebelkammer allgemein

Eine Nebelkammer ist meist mit einem übersättigten Luft-Alkohol-Gemisch (Ethanoldampf) 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 der Ladung durch die Nebelkammer sichtbare Kondensationsstreifen. Durch Ablenkung des geladenen Teilchens in einem geeigneten elektrischen oder magnetischen Feld können aufgrund der entstehenden Bahnkurven Aussagen über Masse, Ladung und letztlich Art des Teilchens gemacht werden.

In einfachen Nebelkammern befindet sich meist ein starker Permanentmagnet am Boden der Kammer. Durch die Lorentzkraft werden somit leichte geladene Teilchen auf eine Kreisbahn abgelenkt. 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 gerade Spuren mit wenigen Zentimetern Länge. Die Alpha-Teilchen werden zwar prinzipiell vom Magnetfeld abgelenkt, aber aufgrund der hohen Masse der Teilchen beträgt der Bahnradius mehrere Meter und somit erscheinen die nur wenige cm langen Bahnen gerade.
• 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 geringe Masse und sind leicht ablenkbar.
• Gammastrahlung erzeugt in der Nebelkammer keine Spuren bzw. nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Da Gammastrahlung selbst ungeladen ist, kann sie nur indirekt nachgewiesen werden, indem sie durch Sekundärprozesse (Photoeffekt oder Comptoneffekt) wiederum geladene Teilchen auslöst. Da die Dichte der Materie (Luft-Alkohol-Gemisch) in einer Nebelkammer aber recht gering ist, ist die Wahrscheinlichkeit für diese Sekundärprozesse recht gering.
• Beta-Plus-Teilchen (Positronen) erzeugen wie auch die „normalen“ Betateilchen dünne gekrümmte Spuren, sie sind jedoch in die andere Richtung gekrümmt. Positronen kommen in der natürlichen Umgebungsstrahlung kaum vor; man braucht also ein radioaktives Präparat, wie Natrium-22.

Man unterscheidet zwischen der kontinuierlichen Nebelkammer und der nicht-kontinuierlichen Nebelkammer.

Nicht-kontinuierliche Nebelkammer / Expansionsnebelkammer

Die Wilsonsche Nebelkammer (benannt nach ihrem Erfinder Charles Thomson Rees Wilson, 1869–1959) erzeugt die Übersättigung durch eine schnelle Expansion. Durch Herausziehen eines Kolbens vergrößert sich das Volumen der Luft in der Nebelkammer, der Druck sinkt und auch die Temperatur. 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. −15 °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. Dabei ist es wichtig, dass durch eine zusätzliche „Saugspannung“ zwischen Boden und Decke die freien Ionen der alten Nebelspuren immer wieder „abgesaugt“ werden, damit man freie Sicht für die neuen Nebelspuren hat.

Siehe auch

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

Weblinks

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