Nebelkammer

Grundidee und Bedeutung

Eine Nebelkammer ist ein Teilchendetektor in der Physik. Sie dient dem Nachweis ionisierender Strahlung und macht bei manchen Teilchen auch deren Weg sichtbar. Ionisierende Strahlung ist Strahlung, die aus Atomen oder Molekülen Elektronen herauslösen kann und dadurch Ionen erzeugt.

Heute werden Nebelkammern fast nur noch zu Demonstrationszwecken verwendet. Früher waren sie wichtige wissenschaftliche Instrumente zur Erforschung der Strahlung radioaktiver Stoffe. Charles Thomson Rees Wilson erhielt 1927 den Nobelpreis für Physik für die Entwicklung der Expansionsnebelkammer, die auch Wilsonsche Nebelkammer genannt wird.

Funktionsweise

Eine Nebelkammer ist meist mit einem übersättigten Luft-Alkohol-Gemisch gefüllt, zum Beispiel mit Ethanol oder Isopropanol. „Übersättigt“ bedeutet, dass mehr Alkoholdampf vorhanden ist, als unter normalen Bedingungen in der Luft bleiben könnte.

Wenn ein energiereiches, geladenes Teilchen dieses Gas durchquert, erzeugt es durch Stoßionisation viele Ionen. Diese Ionen wirken einzeln als Kondensationskerne: An ihnen bilden sich feinste Tröpfchen. Zusammen ergeben diese Tröpfchen eine sichtbare Spur, ähnlich einem Kondensstreifen.

Teilchenbahnen und Magnetfeld

Geladene Teilchen können in einer Nebelkammer durch ein elektrisches oder magnetisches Feld abgelenkt werden. Aus den entstehenden Bahnkurven lassen sich Aussagen über Masse, Ladung und Energie des Teilchens ableiten. Damit kann man auch Rückschlüsse auf die Teilchenart und den Entstehungsprozess ziehen.

In einfachen Nebelkammern befindet sich dafür oft ein starker Permanentmagnet am Boden. Er zwingt geladene Teilchen durch die Lorentzkraft auf eine Spiralbahn. Die Krümmung nimmt zu, weil das Teilchen durch Stöße abgebremst wird.

Typische Spuren

Auch ohne radioaktives Präparat gibt es in der Umwelt ein gewisses Maß an Alpha- und Betastrahlung, das mit einer Nebelkammer sichtbar gemacht werden kann.

Alpha-Teilchen erzeugen dicke, fast gerade Spuren von nur wenigen Zentimetern Länge. Obwohl sie wegen ihrer Ladung grundsätzlich von Magnetfeldern abgelenkt werden, ist ihr Bahnradius wegen ihrer hohen Masse meist mehrere Meter groß. Deshalb erscheinen ihre Bahnen praktisch gerade.

Beta-Teilchen erzeugen dünne, gekrümmte Spuren von wenigen Zentimetern Länge. Häufig sieht man Knicke in der Bahn. Beta-Teilchen sind Elektronen; wegen ihrer geringen Masse lassen sie sich leicht ablenken.

Beta-Plus-Teilchen, also Positronen, erzeugen ebenfalls dünne gekrümmte Spuren. Sie sind aber in dieselbe Richtung gebogen wie bei Alpha-Teilchen. Da Positronen in der natürlichen Umgebungsstrahlung kaum vorkommen, benötigt man zu ihrer Erzeugung radioaktive Präparate, zum Beispiel Natrium-22.

Gammastrahlung erzeugt in der Nebelkammer keine oder nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit Spuren, weil sie selbst ungeladen ist. Sie kann nur indirekt nachgewiesen werden, etwa wenn sie durch Photoeffekt oder Comptoneffekt geladene Teilchen erzeugt. Wegen der niedrigen Dichte des Luft-Alkohol-Gemischs ist die Wahrscheinlichkeit dafür gering. Neutronenstrahlung ist ebenfalls ungeladen und erzeugt deshalb in der Nebelkammer ebenfalls keine oder nur sehr selten Spuren.

Expansionsnebelkammer

Nebelkammern werden danach unterschieden, wie das übersättigte Luft-Alkohol-Gemisch erzeugt wird. Eine nicht-kontinuierliche Nebelkammer ist die Expansionsnebelkammer.

Die Wilsonsche Nebelkammer erzeugt die Übersättigung durch eine schnelle Expansion. Wenn ein Kolben herausgezogen wird, vergrößert sich das Luftvolumen in der Kammer. Dadurch sinken Druck und Temperatur. Der Dampf wird übersättigt, und schon kleine Kondensationskeime reichen aus, um eine Nebelspur zu erzeugen.

Da die Luft nur kurze Zeit abkühlt, kann die Expansionsnebelkammer nur ungefähr eine Sekunde lang Nebelspuren erzeugen. Sie liefert also nur einen kurzen „Schnappschuss“. Danach muss man eine Pause machen und den Kolben erneut herausziehen.

Diffusionsnebelkammer

Die kontinuierliche Nebelkammer wird auch Diffusionsnebelkammer genannt. Sie wurde 1936 von Alexander Langsdorf erfunden. Sie erzeugt die Übersättigung durch Kühlung der Bodenplatte auf ca. −30 °C.

Ungefähr 10 cm über dem Boden befinden sich Heizdrähte. Sie halten das Luft-Alkohol-Gemisch im oberen Bereich auf ca. +15 °C. Zwischen Boden und Decke entsteht dadurch ein Temperaturgefälle. Knapp über dem Boden bildet sich eine übersättigte Schicht, in der Nebelspuren entstehen können.

Eine Diffusionsnebelkammer kann viele Stunden in Betrieb bleiben. Damit neue Spuren besser sichtbar werden, können alte Ionen durch eine „Saugspannung“ zwischen Boden und Decke immer wieder „abgesaugt“ werden. Ein solcher Ionensauger ist nützlich, aber nicht zwingend notwendig.