Nebelkammer - Physikalisches Projektpraktikum

Nebelkammer
Ein Projekt der PPG1
im Projektpraktikum der Universität Erlangen-Nürnberg
Wintersemester 2005/2006
Sandra Kienle – Birgit Müller – Sylvia Rathgeber – Harald Braun – Alexander Eekhoff – Marc Ziener
Tutorin: Anja Loehr

INHALTSVERZEICHNIS
1. EINLEITUNG................................................................................................. 2
2. GESCHICHTE DER NEBELKAMMERN ...................................................... 2
2.1 Erfinder der ersten Nebelkammer (Expansionsnebelkammer).............................................................................2
2.2 Spätere Bedeutung und Einsätze..............................................................................................................................3
3. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN .............................................................. 4
3.1 Thermodynamische Grundlagen..............................................................................................................................4
3.1.1 Zustandsgleichungen idealer Gase ..........................................................................................................................4
3.1.2 Van – der – Waals - Gleichung und Isothermen eines realen Gases .......................................................................5
3.2 Sättigung und Übersättigung....................................................................................................................................6
3.2.1 Begriffsklärungen....................................................................................................................................................6
3.2.2 Sättigung und Übersättigung am Beispiel Wasserdampf .......................................................................................6
3.2.3 Die Dampfdruckkurve von Wasser .........................................................................................................................7
3.3 Entstehung der Nebelspuren ....................................................................................................................................8
3.4 Ionisierende Strahlung..............................................................................................................................................8
3.4.1 α-Strahlung..............................................................................................................................................................8
3.4.2 β-Strahlung..............................................................................................................................................................9
3.4.3 γ-Strahlung ............................................................................................................................................................10
3.4.4 Myonen .................................................................................................................................................................10
3.4.5 Herkunft der in der Nebelkammer nachzuweisenden ionisierenden Strahlung.....................................................10
4. FUNKTIONSPRINZIP DER NEBELKAMMERN......................................... 11
4.1 Allgemeine Grundlagen ..........................................................................................................................................11
4.2 Expansionsnebelkammer ........................................................................................................................................11
4.3 Diffusionsnebelkammer ..........................................................................................................................................13
5. SELBSTBAU EINER DIFFUSIONSNEBELKAMMER ............................... 14
5.1 Evolution ..................................................................................................................................................................14
5.2 Fazit ..........................................................................................................................................................................20
6. DIE PROFESSIONELLE DIFFUSIONSNEBELKAMMER.......................... 20
6.1 Aufbau der Kammer ...............................................................................................................................................20
6.2 Inbetriebnahme........................................................................................................................................................21
7. LITERATURVERZEICHNIS........................................................................ 23

1. Einleitung
Die Wilson’sche Nebelkammer, die nach ihrem Erfinder Charles Thomson Rees Wilson benannt
wurde, ist ein Gerät, das in der Frühzeit der Atom- und Kernphysik zur Sichtbarmachung der Bahnen
ionisierender Teilchen und damit zum Nachweis diente. Sie brachte zahlreiche Erkenntnisse über das
Verhalten von Elementarteilchen und über ihre Eigenschaften (Masse, Ladung, Spin).
Grob funktioniert die Nebelkammer folgendermaßen:
Ionisierende Teilchen dringen in eine mit einem übersättigten Gasgemisch gefüllte Kammer. Die
Teilchen ionisieren einzelne Gasmoleküle, die dann als „Kondensationskeime“ wirken. Dadurch, dass
der übersättigte Dampf an diesen kondensiert bilden sich Nebelspuren. Durch seitliche Beleuchtung,
kann man die Spur des Teilchens als Nebelstreifen erkennen.
Es gibt zweierlei Arten von Nebelkammern: die Expansionsnebelkammer und die
Diffusionsnebelkammer (siehe 4.2, 4.3). Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die
unterschiedliche Herstellung des Dampfes.
In der modernen Forschung werden Nebelkammern nicht mehr eingesetzt, jedoch werden sie noch
gerne zu Demonstrationszwecken genutzt.
2. Geschichte der Nebelkammern
2.1 Erfinder der ersten Nebelkammer (Expansionsnebelkammer)
Charles Thomson Rees Wilson (s. Abbildung 1) wurde am 14. Februar 1869 in Glencorse,
Schottland, als jüngstes von 8 Kindern eines schottischen Schafzüchters geboren. Vier Jahre später
kamen seine Eltern ums Leben. Er begann mit 15 Jahren in Manchester Medizin zu studieren,
wechselte dann aber das Fach und studierte Naturwissenschaften. 1888 erhielt er ein Stipendium für
ein Studium der Mathematik und Physik in Oxford, das er vier Jahre später erfolgreich abschließen
konnte.
Schon in seiner Jugend interessierte er sich für Wetterphänomene. Insbesondere faszinierte ihn die
Entstehung von Wolken. Dieses Interesse veranlasste ihn 1895 eine Kammer zu bauen, in dem er
Wolken erzeugen wollte und somit den Mechanismus, wie sich viele kleine Wassertröpfchen zu
Wolken bilden, zu verstehen. Unter bestimmten Voraussetzungen ließen sich in der Kammer kleine
Wassertröpfchen erzeugen, durch die sich im Inneren der Kammer Nebel bildete (→ spätere
Benennung der Kammer: Nebelkammer (engl.: cloud chamber)).
Während er seine Versuche durchführte, stieß er immer wieder auf, für ihn zunächst noch
unerklärbare Nebelspuren. Erst einige Jahre später fand er die Ursache für die Nebelspuren heraus.
Die durch die Strahlung ionisierten Gasionen waren die Ursache für die Nebelspuren, oder anders
ausgedrückt, nach einiger Zeit gab es für Wilson keinen Zweifel mehr, dass er eine Möglichkeit
gefunden hatte, Gasionen als Kondensationskeime sichtbar zu machen. Diese konnte man durch
Magnetfelder ablenken, die Bahnen fotografisch festhalten und somit die Ladungen und Massen der
Ionen bestimmen. 1911 gelang es ihm schließlich, nach einigen Verbesserungen, die erste
funktionstüchtige Nebelkammer zu bauen und nahm als erster Mensch fotografisch die
Teilchenbahnen von Elektronen und α-Teilchen auf.
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Abbildung 1: Charles Thomson Rees Wilson [1]
1925 wurde Wilson Professor in Cambridge und lehrte dort bis zu seiner Pensionierung 1934.
1927 erhielt er zusammen mit dem Physiker Arthur Compton den Nobelpreis für Physik "für seine
Methode, die Bahnen von elektrisch geladenen Teilchen durch Kondensation von Wasserdampf
sichtbar zu machen“.
Er starb im Alter von 90 Jahren am 15. November 1959 in Carlops, Schottland.
2.2 Spätere Bedeutung und Einsätze
Mit Hilfe der Nebelkammer wurden in den darauf folgenden Jahren viele wesentliche Experimente in
der Kern- und Teilchenphysik durchgeführt.
Folgende Neuentdeckungen konnten gemacht werden:
• 1921, Nachweis der Comptonstreuung
• 1931, Entdeckung des Positrons in einer Nebelkammer durch Carl Anderson
• 1937, Entdeckung des Myons durch J. C. Street and E. C. Stevenson
• Untersuchung kosmischer Strahlung
• Nachweis der Paarerzeugung und Paarvernichtung von Elektronen und Positronen durch
Patrick Maynard Stuart Blackett und Giuseppe Ochialini (1948 erhält Blackett den Nobelpreis für
Arbeiten zur kosmischen Strahlung)
• Nachweis der künstlichen Kernreaktion durch John Cockroft und Ernest Thomas Sinton Walton
(1951 Nobelpreis für Arbeiten auf dem Gebiet der Atomkernumwandlungen)
• 1952, Erfindung der Blasenkammer, als Weiterentwicklung der Nebelkammer, durch Donald
Arthur Glaser
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3. physikalische Grundlagen
3.1 Thermodynamische Grundlagen
3.1.1 Zustandsgleichungen idealer Gase
Die Gesetze von Boyle – Mariotte und Gay – Lussac:
Boyle - Mariotte:
Das Produkt aus Druck und Volumen ändert sich bei konstanter Temperatur eines Gases nicht.
P·V = konstant
Gay - Lussac:
Die Temperatur eines Gases ist bei konstanten Volumen proportional zum Druck.
P = konstant
T
Diese Gesetze gelten näherungsweise für alle Gase bei geringer Dichte.
Aus diesen Zusammenhängen lässt sich nun die Zustandsgleichung für ideale Gase herleiten.
Es ist offensichtlich, dass die Temperatur, falls P konstant ist, somit auch proportional zum Volumen
eines Gases ist. Dieser Zusammenhang lässt sich mit Hilfe einer Proportionalitätskonstante C, die
von der Gasmenge abhängt, folgendermaßen beschreiben:
P·V = C·T
Setzt man nun C = n·R, mit der Molzahl n und der Gaskonstanten R, so erhält man die
Zustandsgleichung für ideale Gase:
P·V = n·R·T
Die Kurven eines idealen Gases im PV-Diagramm stellen parallele Hyperbeln, abhängig von der
Temperatur dar (siehe Abbildung 2)
Abbildung 2: P-V Diagramm eines idealen Gases [5]
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3.1.2 Van – der – Waals - Gleichung und Isothermen eines realen Gases
Die Van-der-Waals Gleichung beschreibt das Verhalten realer Gase, d.h. von Gasen, deren Atome
bzw. Moleküle eine endliche Ausdehnung haben und miteinander in Wechselwirkung treten können.
Diese Effekte werden durch den Binnendruck und Eigenvolumen berücksichtigt. Über weite
Druckbereiche ist diese Gleichung besser als die o.a. Zustandsgleichung für ideale Gase.
⎛
⎜
⎝
a ⋅ n
Zustandsgleichung: ⎜ P ⎟ ( V − n ⋅ b)
+
2
V
2
⎞
⎟ ⋅
⎠
= n ⋅ R ⋅ T
Mit:
- P: äußerer Druck
- a/V²: Binnendruck des Gases
- V: Gasvolumen
- b: Eigenvolumen der Gasmoleküle
Mit zunehmendem Volumen, bzw. abnehmender Dichte nähert sich die Van-der-Waals-Gleichung
immer mehr der Zustandsgleichung für ideale Gase und geht schließlich in diese über.
Abbildung 3 zeigt PV-Isothermen eines realen Gases (CO2), d.h. ein Diagramm in dem der Druck
gegen das Volumen für verschiedene konstante Temperaturen aufgetragen ist, eines realen Gases.
Die Isothermen folgen oberhalb der kritischen Temperatur der Van-der-Waals-Gleichung und die
Substanzen sind in diesem Bereich gasförmig.
Abbildung 3: P-V Isothermen [6]
Wird ein Gas unterhalb dieser „kritischen Temperatur“ komprimiert, so steigt der Gasdruck nur bis zu
einem bestimmten Volumen an und bleibt danach trotz weiterer Komprimierung konstant. Dies
passiert, da sich ein Teil des Gases bei konstantem Druck, verflüssigt. Entlang der horizontalen Linie
im Diagramm sind Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht. Der während dieser Zeit herrschende
Druck wird Dampfdruck genannt. Sobald das ganze Gas in Flüssigkeit verwandelt wurde steigt der
Druck sehr schnell an, da Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind und schon eine geringfügige
Verkleinerung des Volumens eine enorme Druckzunahme bedeutet.
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Unter bestimmten experimentellen Bedingungen ist es möglich einen Druckverlauf, wie die
gekrümmte Kurve ihn darstellt, herzustellen. Man nennt den dann erreichten Zustand übersättigten
Dampf oder übersättigte Flüssigkeit. Dieser Zustand wird bei einer Nebelkammer benötigt.
3.2 Sättigung und Übersättigung
3.2.1 Begriffsklärungen
Ist in einer Flüssigkeit ein Stoff gelöst, so bezeichnet man diese als Lösungsmittel und das
resultierende Gemisch als Lösung. Ist die höchstmögliche Menge des Stoffes im Lösungsmittel
gelöst, so spricht man von einer gesättigten Lösung und bezeichnet die entsprechende
Konzentration des Stoffes als Sättigungsmenge bzw. Sättigungskonzentration.
Diese Sättigungsmenge ist dabei abhängig von der Art des Lösungsmittels und der Temperatur.
Bekanntermaßen ist warme Luft beispielsweise in der Lage, mehr Wasser als kalte Luft
„aufzunehmen“.
Im „Normalfall“ kann diese Sättigungskonzentration nicht überschritten werden, eine weitere
Zuführung des Stoffes würde nicht mehr gelöst werden.
Dennoch ist eine Überschreitung dieser Grenze mitunter möglich, was man in der Folge als
übersättigte Lösung bezeichnet. Entscheidend für das Auftreten einer Übersättigung ist hierbei die
Existenz von Kristallisationskernen. Je weniger von ihnen vorliegen, desto stärker kann die Lösung
übersättigt werden und umgekehrt.
Die Übersättigung eines thermodynamischen Systems bezeichnet also einen Zustand, der sich
oberhalb des Sättigungspunktes befindet. Das bedeutet beispielsweise, dass eine solche Lösung
weiter Stoffe in sich löst, obwohl der eigentliche Gleichgewichtszustand schon erreicht ist. Unter
gewöhnlichen Bedingungen würde eine solche Überschreitung des Gleichgewichtszustands durch
eine Phasenumwandlung verhindert. Bei übersättigten Systemen tritt diese jedoch nicht am
erwarteten Gleichgewichtspunkt des Phasendiagramms auf.
Eine Übersättigung kann durch die meist langsame Abkühlung einer gesättigten Lösung bzw. eines
gesättigten Mediums erreicht werden. Vor allem in Bezug auf Wasserdampf in der Luft zeigt sich beim
Fehlen von Kondensationskernen (Aerosolen) im Laborversuch (Nebelkammer) eine Übersättigung
von maximal ca. 800 %. Unter atmosphärischen Bedingungen ist dies jedoch nicht der Fall, hier
lassen sich maximale Übersättigungen von 100 % beobachten, wobei diese jedoch sehr selten sind
und in der Regel nur Übersättigungen von wenigen Prozentpunkten auftreten.
3.2.2 Sättigung und Übersättigung am Beispiel Wasserdampf
Wasserdampf ist dann gesättigt, wenn er nicht mehr fähig ist seine eigene Konzentration in der Luft
weiter zu erhöhen, da diese schon die maximale Luftfeuchtigkeit mit sich trägt. Der Begriff der
Sättigung kann physikalisch/ chemisch unterschiedlich erklärt werden, wobei die Interpretationen sich
keinesfalls widersprechen, sondern synonym sind:
• thermodynamisches Gleichgewicht zwischen Wasserdampf und Wasser
• angeglichene chemische Potenziale der beiden Stoffe
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• 100% relative Luftfeuchte (ist eine Definition der „relativen“ Luftfeuchte; während die relative
Luftfeuchte temperaturabhängig ist, ist die absolute Luftfeuchtigkeit temperaturunabhängig!)
• Taupunktdifferenz gleich Null bzw. Temperatur gleich dem Taupunkt
• Das „Sättigungsdefizit“ ist gleich Null bzw. der Dampfdruck ist gleich dem
Sättigungsdampfdruck
Durch das Abkühlen der Luft unter den Taupunkt, ohne dass dabei Kondensation (Nebel, Wolke)
eintritt, kommt es zu einer Übersättigung. Grund hierfür ist wie bereits oben erwähnt, das Fehlen von
Kondensationskeimen. Als Kondensationskeime fungieren z. B. Aerosolen wie etwa Staub- oder
Eispartikel. Da in der Regel jedoch meist Kondensationskeime vorhanden sind, treten in der
Erdatmosphäre kaum Übersättigungen von mehr als einem Prozent auf. Ein ähnlicher Effekt wie die
Übersättigung ist das Verhalten von destilliertem Wasser, welches man auf Grund fehlender
Kondensationskeime auf einige Grad unter 0 Grad Celsius abkühlen kann, ohne dass es gefriert.
3.2.3 Die Dampfdruckkurve von Wasser
Die in Abbildung 4 dargestellte „Dampfdruckkurve“ zeigt übersichtlich in einer Grafik das Verhalten
von Wasser:
Die Phasenübergänge zwischen fest, flüssig und gasförmig sind sowohl druck- als auch
temperaturabhängig. Durch Erhöhen des Drucks wird der Phasenübergang von flüssig nach
gasförmig in deutlich höhere Temperaturbereiche verschoben (in der Abbildung s. Kurve 2).
Gleichzeitig kann durch Druckerniedrigung erreicht werden, dass Wasser schon ab 0 Grad Celsius in
den dampfförmigen Zustand übergeht.
Abbildung 4: Die Dampfdruckkurve von Wasser [13]
Eine praktische Anwendung hierzu ist der Dampfdrucktopf: Durch eine Erhöhung des Drucks bleibt
das Wasser entsprechend länger im flüssigen Zustand und ist auf Grund der höheren Wärmeübergangszahl
besser in der Lage, Energie (z. B. beim Kochen) an z. B. einen zu erwärmenden Körper
abzugeben.
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Analog zu interpretieren sind die Kurven 1 und 3; besonders sei jedoch auf die Kurve 1 hingewiesen:
Sie zeigt, dass durch Druckerniedrigung ein Übergang von dampfförmig nach fest, also durch
„Auslassen“ des flüssigen Zustands möglich ist (sog. „Sublimation“)!
3.3 Entstehung der Nebelspuren
Fliegt ein Teilchen in den, in der Nebelkammer herrschenden, übersättigten Dampf, so kommt es zu
Kollisionen zwischen Luftmolekülen und dem Teilchen. Dadurch werden die Moleküle ionisiert, d.h.
Elektronen werden ausgeschlagen. Die „übriggebliebenen“ Ionen dienen jetzt als
Kondensationskeime für den Dampf. An ihnen kondensieren kleine Tröpfchen, die man als
Nebelspuren mit entsprechender Beleuchtung beobachten kann. Die Nebelspur, die man letztendlich
sieht ist nicht die Bahn des Teilchens sondern nur ihre Spur die sie beim „Ionisieren“ hinterlässt.
Vergleichbar sind diese mit den Kondensationsspuren von hochfliegenden Flugzeugen.
3.4 Ionisierende Strahlung
Aufgabe einer Nebelkammer ist es – wie bereits in 1. dargelegt – ionisierende Strahlung über
Kondensation an den entstandenen Ionen nachzuweisen.
Unter ionisierender Strahlung versteht man jegliche Art von Teilchen- oder elektromagnetischer
Strahlung, die die Fähigkeit besitzt Atome oder Moleküle zu ionisieren. Im Speziellen sind dies die α-
und β-Strahlung, sämtliche anderen geladenen Teilchen wie Protonen, Myonen, etc. sowie γ- und
Röntgenstrahlung.
Im Folgenden soll kurz auf die in einer Nebelkammer hauptsächlich beobachteten Arten ionisierender
Strahlung eingegangen werden.
3.4.1 α-Strahlung
Als α-Strahlung wird ein Teilchenstrom von zweifach ionisierten Heliummolekülen [42He] bezeichnet.
α-Teilchen besitzen eine Masse von 6,64*10^-27 kg, sind sehr stabil (Bindungsenergie 28,3 MeV),
besitzen den Spin 0 und kein magnetisches Moment. Typischerweise beträgt die Emissionsenergie
von α-Teilchen einige MeV, bei Radium z.B. 4,9 MeV.
Bei der Wechselwirkung mit Materie erzeugen die α-Teilchen auf ihrem Weg durch direkte Ionisation
– d.h. sie „schlagen“ Elektronen aus den Atomhüllen der wechselwirkenden Atome – Ionen in relativ
großer räumlicher Dichte.
Bei den einzelnen Stoßprozessen verlieren die α-Teilchen auf Grund ihrer Masse relativ wenig
Energie (werden also kaum abgelenkt), jedoch wird durch die vielen Stoßprozesse die Energie doch
relativ schnell abgeschwächt, was dazu führt, dass α-Teilchen in Luft nur eine Reichweite von 4 bis 7
cm besitzen.
Die Spuren von α-Teilchen in der Nebelkammer erscheinen relativ dick und eher geradlinig.
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Abbildung 5: Die Spur eines α-Teilchens [14]
3.4.2 β-Strahlung
Die β-Strahlung kann in zwei Kategorien eingeteilt werden. Man unterscheidet die β-minus- und die β-
plus-Strahlung. Bei ersterer handelt es sich um einen Teilchenstrom aus Elektronen, bei letzterer um
einen Teilchenstrom aus Positronen, beide jeweils mit hoher kinetischer Energie.
Wenn α- und β-Strahlung gleicher Energie verglichen werden fällt auf, dass die Reichweite der β-
Strahlung weitaus höher ist. So besitzt bei z.B. 3 MeV ein β-Teilchen eine Reichweite von ~5m, ein α-
Teilchen von wenigen cm. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Elektronen/Positronen auf Grund
Ihrer geringeren Größe, Masse und Ladung ein weitaus geringeres Ionisationsvermögen – d.h. sie
wechselwirken weniger oft - besitzen als α-Teilchen.
Die Ionisation bei β-Strahlung erfolgt auf die gleiche Weise wie bei der α-Strahlung, also durch direkte
Ionisation.
Die in einer Nebelkammer beobachtbare Bahn eines β-Teilchens ist auf Grund der genannten
Unterschiede zur α-Strahlung eher dünn (geringeres Ionisationsvermögen) und eher „zittrig“
(geringere Masse, daher größere Ablenkung bei Stoßprozessen).
Abbildung 6: Die Spur eines β-Teilchens [14]
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3.4.3 γ-Strahlung
Bei γ-Strahlung handelt es sich im Gegensatz zur α- und β-Strahlung nicht um Teilchen, sondern um
elektromagnetische Strahlung. Die Photonen der γ-Strahlung besitzen Wellenlängen < 0,5 nm und
somit Energien > 2,5 keV.
γ-Strahlung kann Teilchen nicht direkt sondern nur indirekt ionisieren. Dies kann durch
Wechselwirkung mit der Atomhülle (Photoeffekt, Compton-Effekt), oder mit dem Kern (Paarbildung,
Kern-Photoeffekt) geschehen.
Daraus ergibt sich, dass die Bahn eines γ-Teilchens nicht direkt durch Ionisationsspuren verfolgt
werden kann, sondern nur durch von ihr ausgehende, zittrige Spuren, ähnlich denen der β-Strahlung
(da ja durch z.B. den Photoeffekt Elektronen - also β-Strahlung - entsteht), die auf Grund der
Wechselwirkung der γ-Strahlung mit den Atomen herrühren.
3.4.4 Myonen
Myonen sind Leptonen, die den Elektronen sehr ähneln, ihre Masse ist jedoch ca. 200 Mal größer.
Ebenso wie Elektronen besitzen sie eine einfache negative Ladung und halbzahligen Spin.
Ein freies Myon hat eine mittlere Lebensdauer von 2,2 · 10^-6 s, bevor es in zwei Neutrinos (ein
Myon-Neutrino, ein Elektron-Antineutrino) und ein Elektron zerfällt. Dass trotz ihrer Entstehung in der
Atmosphäre und ihrer geringen mittleren Lebensdauer noch Myonen auf dem Niveau der
Erdoberfläche nachgewiesen werden können, lässt sich mit der relativistischen Zeitdilatation erklären,
die für die Myonen auf Grund Ihrer hohen Geschwindigkeit einen deutlich nachweisbaren Effekt hat.
Wie auch die anderen beschriebenen Teilchen, die sich zur ionisierenden Strahlung zählen lassen,
ionisiert auch das Myon wechselwirkende Atome/Moleküle durch direkte Ionisation.
Mit ein bisschen Glück, lässt sich in einer Nebelkammer sogar der Zerfall eines Myons beobachten,
da auch freie Elektronen sichtbar werden. Anhand eines deutlichen Knicks in der Teilchenspur lässt
sich der Zerfall identifizieren, da sich auf Grund der Impulserhaltung und der entstehenden Neutrinos
das Elektron nicht in die gleiche Richtung wie das ursprünglich vorhandene Myon bewegt.
Abbildung 7: Zerfall eines Myons [14]
3.4.5 Herkunft der in der Nebelkammer nachzuweisenden ionisierenden Strahlung
Für die in einer Nebelkammer nachweisbare ionisierende Strahlung gibt es zwei Hauptquellen.
Die eine ist natürliche Radioaktivität an der Erdoberfläche. So gibt es in Gesteinen häufig Einschlüsse
radioaktiver Substanzen, die geringe Mengen an α-, β- und/oder γ-Strahlung freisetzen. γ-Strahlung
kann beispielsweise auch bei einem α- oder β-Zerfall entstehen, falls das Atom nach dem Zerfall in
einem angeregten Zustand und nicht im Grundzustand verbleibt.
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Auch ist z.B. das Gas Radon in geringen Konzentrationen in der Luft vorhanden, welches aus dem
Erdboden freigesetzt wird. In der Nebelkammer beobachtbare Spuren von α-Teilchen werden
ausschließlich durch die natürliche Radioaktivität erzeugt. Für β- und γ-Teilchen gibt es noch eine
andere Quelle: Die kosmische Höhenstrahlung.
Diese Strahlung hat ihren Ursprung weit außerhalb der Erdatmosphäre und größtenteils sogar
außerhalb unseres Sonnensystems. Die kosmische Höhenstrahlung ist eine hochenergetische
Teilchenstrahlung mit Energien bis zu 10^20 eV. Ihre Primärkomponente (d.h. das, was sich von ihr
im Vakuum bis zur Erde ausbreitet) setzt sich zum größten Teil aus Protonen (ca. 85%) zusammen.
Weitere Bestandteile sind Heliumkerne und Kerne anderer Elemente (ca. 14%) sowie ein geringerer
Teil an Elektronen, Positronen, Myonen, Neutrinos, etc.
Sobald die primäre Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft, wechselwirkt sie in Höhen von ca. 15-20km
mit den Molekülen der Atmosphäre. Es entsteht die sog. sekundäre Höhenstrahlung, die je nach
Energie und Teilchensorte des wechselwirkenden Teilchens der primären Höhenstrahlung einen
elektromagnetischen oder hadronischen Teilchenschauer (sog. Kaskadenschauer) darstellt. Auf dem
Niveau der Erdoberfläche bestehen diese Kaskadenschauer zu ca. 80% aus Myonen, sowie aus
Elektronen (β-Strahlung), Positronen und geringen Mengen anderer Teilchen.
Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist nicht zweifelsfrei geklärt. Bekannt ist, dass ein Teil von
solaren Eruptionen und solarer Aktivität herrührt. Es wird vermutet, dass der höherenergetische Teil
der Strahlung seinen Ursprung in Supernovae und/oder den Jets von schwarzen Löchern und
Neutronensternen hat, der höchstenergetische Teil (Energien >10^18 eV) mit an Sicherheit
grenzender Wahrscheinlichkeit sogar außerhalb unserer Galaxie.
4. Funktionsprinzip der Nebelkammern
4.1 Allgemeine Grundlagen
Grundprinzip einer jeden Nebelkammer ist es, in einem Gas-Dampf-Gemisch (z.B. Luft mit
Wasserdampf oder Alkoholdampf) eine übersättigte Schicht (vgl. 3.2.) zu erzeugen.
In dieser übersättigten Schicht ist es dann möglich, einfallende ionisierende Strahlung (vgl. 3.4.)
durch Kondensation des Dampfes an den durch die Strahlung entstandenen Ionen, die als
Kondensationskeime wirken, nachzuweisen.
Der zweite allen Nebelkammern gemeine Punkt ist die passende Beleuchtung. Um eine gute
Sichtbarkeit der Kondensationsspuren zu gewährleisten ist es zum einen ratsam, den Boden und
andere opake Teile der Nebelkammer möglichst dunkel zu färben, und zum anderen zu
gewährleisten, dass eine seitliche, relativ starke Beleuchtung - die vorzugsweise auf die sensitive
Zone eingeschränkt wird - vorhanden ist.
Man unterscheidet zwei verschiedene Typen von Nebelkammern. Zum einen die (Wilson’sche)
Expansionsnebelkammer und zum anderen die (kontinuierliche) Diffusionsnebelkammer. Beide sollen
im Folgenden beschrieben werden.
4.2 Expansionsnebelkammer
In Expansionsnebelkammern wird die übersättigte Schicht durch eine schnelle Volumenvergößerung
innerhalb der Kammer erzeugt. Dadurch ist es dem Gas-Dampf-Gemisch vorerst nicht möglich,
Wärme mit der Umgebung auszutauschen (d.h. die Expansion ist adiabatisch). Dies führt wiederum
dazu, dass die Temperatur in der Kammer abnimmt und somit die Sättigung zunimmt, da sich bei
niedrigeren Temperaturen der Gleichgewichtszustand zwischen Flüssigkeits- und Gasphase hin zur
Flüssigkeitsphase verschiebt.
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Abbildung 8: Prinzip einer Expansionsnebelkammer
In dieser Art der Nebelkammer bleibt die übersättigte Schicht aber nur kurz bestehen, da das
Gemisch nach der adiabatischen Expansion schnell Wärme mit der Umgebung austauscht und sich
so wieder erwärmt. Somit ergeben sich für Expansionsnebelkammern maximale Beobachtungszeiten
von ca. 10 bis 100 ms, was allerdings grundsätzlich schon ausreicht, um ionisierende Strahlung
nachzuweisen.
In der technischen Realisierung wird die adiabatische Expansion des Volumens meist über Kolben
erreicht, die schnell zurückgezogen werden. Es ist allerdings auch schon möglich den beschriebenen
Effekt mittels eines einfachen Luftballons zu erreichen (vgl. Abbildung 9).
Abbildung 9: Einfache Expansionskammer mit Luftballon [14]
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Abbildung 10: Schematischer Aufbau der Kammer aus Abb.9 [14]
4.3 Diffusionsnebelkammer
In der Diffusionsnebelkammer wird der Hauptnachteil, d.h. die kurze Beobachtungszeit, der
Expansionsnebelkammer umgangen, indem die übersättigte Schicht ständig aufrechterhalten wird.
Um dies zu erreichen wird ein vertikaler Temperaturgradient über die Kammer angelegt.
Abbildung 11: Prinzip einer Diffusionsnebelkammer
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Im oberen Bereich der Kammer befindet sich das Reservoir für das dampferzeugende Medium
welches dort in der Flüssigkeitsphase vorliegt. Durch Erwärmung von oben wird erreicht, dass das
Medium verdampft (oder zumindest schneller verdunstet). Da die Kammer von unten gekühlt wird,
diffundiert der entstandene Dampf nach unten und wird auf dem Weg unter seinen Taupunkt
abgekühlt, es entsteht also eine übersättigte Schicht im unteren Bereich der Kammer.
Realistische Temperaturen für die Erwärmung sind +40 °C und für die Abkühlung der Bodenplatte -10
°C. Die Erwärmung wird meist durch Stromfluss in Drähten oder Widerständen erreicht, die
Abkühlung in den einfacheren Nebelkammern über Trockeneis, in den größeren z.B. über
Peltierelemente mit Wasserkühlung oder über Kompressorkühlungen.
Ein weiteres in einer Diffusionsnebelkammer benötigtes Element ist eine Ionen-„Absaugung“. Da in
dieser Art Nebelkammer Beobachtungen über längere Zeit realisiert werden sollen, wäre es
kontraproduktiv, wenn die Nebelspuren (d.h. die Kondensationskeime) ständig im sensitiven Bereich
verbleiben würden und die Kammer somit nach einiger Zeit komplett mit Nebel „gefüllt“ wäre.
Realisiert wird diese Absaugung über Hochspannungsdrähte, die die geladenen Teilchen aus der
sensitiven Zone durch Abstoßung bzw. Anziehung entfernen und somit die Kammer frei für neue
Nebelspuren machen. In kleineren Kammern können die Hochspannungsdrähte auch durch
elektrostatische Aufladung des Gehäuses ersetzt werden.
In einigen Nebelkammern wird tatsächlich ein weitgehend autonomer Betrieb über längere Zeiträume
(Tage, Wochen) erreicht, indem eine Kompressor- oder Peltierkühlung mit einem Pumpensystem
kombiniert wird, welches das am Boden kondensierte Medium wieder zurück in das Reservoir im
oberen Bereich leitet.
Vorzugsweise werden für Diffusionsnebelkammern dampferzeugende Medien mit geringer Siede- und
Schmelztemperatur verwendet um zum einen die Dampferzeugung zu erleichtern und zum anderen
zu vermeiden, dass das Medium an der Bodenplatte gefriert. Ein solcher Stoff, der sich auch in
zahlreichen kommerziellen Kammern bewährt hat ist Isopropanol. (Siedepunkt: 82,4 °C,
Schmelzpunkt: -88,5 °C).
5. Selbstbau einer Diffusionsnebelkammer
Unser Ziel war es, eine einfache, kostengünstige Diffusionsnebelkammer aufzubauen, die sich darauf
beschränkt, das grundlegende Prinzip dieses Typs einer Nebelkammer ohne großen technischen
Aufwand (wie Kompressorkühlungen, Rückpumpsysteme, etc.) zu realisieren und somit ionisierende
Strahlung sichtbar zu machen.
5.1 Evolution
Für unseren allerersten Bau verwendeten wir eine handelsübliche, durchsichtige Plastikbox, sowie ein
auf die passenden Maße geschnittenes Stück Bastelfilz als Medienreservoir. Zusätzlich benutzten wir
eine dünne, mit einem schwarzen Stück Plastik beklebte Metallplatte als Boden und Isopropanol als
Medium. Aus Mangel einer geeigneteren Lichtquelle für die Beleuchtung verwendeten wir ein auf
hohe Frequenz eingestelltes Stroboskop aus dem PP Lagerräumen.
Die Plastikbox wurde am Boden mit dem Bastelfilz beklebt und dieser mit dem Isopropanol getränkt.
Anschließend wurde die Box umgedreht und auf den Metallboden gesetzt.
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Abbildung 12: Version 1 der selbstgebauten Nebelkammer
Eine einfache Kühlung und Heizung wollten wir mit wärme-/kältespeichernden medizinischen
Gelkissen realisieren. Es stellte sich allerdings schnell heraus, dass der Temperaturgradient nicht
ausreichend war, um eine übersättigte Zone zu erzeugen und die Beleuchtung geeignet war,
Kopfschmerzen zu erzeugen.
Ein nächster Test der Selbstbau-Kammer erfolgte mit Trockeneis als Kühlmittel und den erwähnten
Gelkissen als einfache Heizung. Auch hier konnten wir leider keinerlei Nebelspuren wahrnehmen.
Zwar bildeten sich am Boden der Kammer diffuse Nebelschwaden, die jedoch keinesfalls als
Kondensationsspuren an Ionen durchgehen konnten. Wir vermuten, dass dies zum einen an den
großen Ausmaßen der Box und zum anderen an der etwas eigenwilligen Beleuchtung gelegen hat, da
wir auch später noch festgestellt haben, dass die Beleuchtung einen großen Einfluss auf die Qualität
der sichtbaren Nebelspuren hat.
Unseren nächsten Versuch stellte eine aus Plexiglasplatten selber hergestellte, würfelförmige Box der
Kantenlänge 15cm dar. Drei Seiten der Box sowie der Boden wurden mit schwarzem Acryl-Lack
lackiert, durch die vierte Seite – diesmal mit einer Taschenlampe – beleuchtet und von oben
beobachtet. Verbunden wurden die Seitenwände mittels Heißkleber. Wieder wurde Bastelfilz als
Medienreservoir verwendet. Die Kühlung wurde erneut mit Trockeneis realisiert, für die Heizung
verwendeten wir diesmal eine Wärmflasche, um einen noch größeren Temperaturgradienten zu
erzeugen und mehr Isopropanol in kürzerer Zeit zu verdunsten.
Dieser etwas aufwändigere Versuchsaufbau wurde dann auch schließlich mit Erfolg gekrönt und wir
konnten unsere ersten Nebelspuren erkennen. Allerdings war der große Nachteil dieser zweiten
Kammer, dass Heißkleber anscheinend von Isopropanol angegriffen wird und auch der Acryl-Lack
alkohollöslich ist (die lackierte Seite musste nach innen, da die Kammer sonst zu sehr gespiegelt
hätte). Außerdem bekam der Plexiglasdeckel durch den Druck der auf ihn durch die Wärmflasche
ausgeübt wurde relativ schnell Sprünge.
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Abbildung 13: Version 2 der selbstgebauten Nebelkammer
Mit der während dem Bau und Betrieb der zwei Vorläuferkammern gesammelten Erfahrung
beschlossen wir, noch eine dritte Nebelkammer zu bauen. Diesmal bestanden die Seitenteile aus
schwarzem Plastik (und einer Seitenwand aus diffusem Plexiglas zur Beleuchtung) sowie einem
Glasdeckel (beklebt mit Bastelfilz, in den in der Mitte ein Loch zur Beobachtung geschnitten war) und
einem (mit nicht alkohollöslichem Lack) schwarz lackierten Metallboden. Diese neue Kammer hatte
eine Kantenlänge von ca. 13 cm und war wieder würfelförmig. Die Seitenteile wurden jetzt mit Silikon
verbunden, welches auch noch lackiert wurde.
Abbildung 14: Finale Version der selbstgebauten Nebelkammer
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Temperaturmessungen mit Hilfe des Cassy-Temperatursensors ergaben, dass wir mit Hilfe der
Trockeneiskühlung den Kammerboden auf ca. -40° C abkühlen und den oberen Teil der Kammer auf
etwa +35° C aufheizen konnten.
Wir nahmen diese dritte Kammer mehrmals erfolgreich in Betrieb und registrierten (vermutlich) α- und
β-Strahlung.
Abbildung 15: Spuren von α-Strahlung
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Abbildung 16: Spuren von β-Strahlung
Wir hatten auch die Gelegenheit, die Nebelkammer mit einem Radium-Präparat aus dem
Anfängerpraktikum zu testen. Obwohl das Präparat ca. einen Meter von der Kammer entfernt und in
seiner Schutzhülle aus Glas war, konnte wir ein Stark erhöhtes Aufkommen an Spuren von β-
Teilchen feststellen. α-Teilchen waren auf Grund ihrer geringen Weglänge und der Abschirmung
durch die Glashülle nicht zu erkennen.
Da wir nun eine funktionsfähige Nebelkammer zu Verfügung hatten, wollten wir noch die Art der
detektierten Strahlung näher bestimmen. Dies sollte mittels Ablenkung der ionisierenden Partikel
durch ein Magnetfeld erreicht werden.
Abbildung 17: Versuchsaufbau zur Ablenkung geladener Teilchen mit einem Helmholtzspulen-
Paar
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Da die Teilchen der ionisierenden Strahlung geladen sind (natürlich mit Ausnahme der γ-Strahlung),
wirkt in einem Magnetfeld auf sie die Lorentz-Kraft (q Ladung des Teilchens, v Geschwindigkeit, B
Magnetischer Feldvektor):
F L
= qv × B
Durch diese Kraftwirkung werden die Teilchen auf eine Kreisbahn gezwungen. Um den Radius der
Kreisbahn zu bestimmen, setzen wir die Lorentz-Kraft (1) gleich der Zentripetal-Kraft, die durch die
Kreisbewegung auf das Teilchen wirkt (m Masse des Teilchens, r Radius der Kreisbahn):
(1)
F
L
= F
Z
mv
qvB =
r
⇒ r =
2
mv
qB
(2)
Um nun die Geschwindigkeit des Teilchens aus seiner Energie abzuschätzen verwenden wir den
relativistischen Ansatz für die kinetische Energie, da die Teilchenenergie sehr hoch werden kann:
E
kin
⎛
⎞
⎜
1
⎟
⎛
2 4
2
2
m0
c
( 1) m0c
1 m0c
v 1
c
2
2 2
1 v
( E m0c
) ⎟ ⎟ ⎞
= γ − = ⎜ − ⎟ ⇒ = ⎜ −
⎜
⎟
⎜
− 2
⎝ kin
+ ⎠
⎝ c ⎠
2
(3)
Somit ergibt sich also für den Bahnradius:
r =
2
( E + m c )
kin
m
0
c
0
4
2
⎛
⎜1
−
⎜
⎝
qB
m
2
0
c
4
2
( E + m c )
kin
0
2
⎞
⎟c
⎟
⎠
2
(4)
Leider stellte sich heraus, dass mit dem verfügbaren Helmholtz-Spulenpaar bei einem Strom von ca.
10 Ampère nur ein Magnetfeld von 3,5 mT zu erzeugen war.
Für ein α-Teilchen ergibt sich unter Verwendung der Formel (4) bei einer Energie von 0,5 MeV
r ≈ 14, 6m , für ein β-Teilchen bei 0,5 MeV immerhin r ≈ 1, 64m
. Wir erachteten es als unrealistisch bei
Teilchen, die mit einer unbekannten Flugrichtung in das Magnetfeld eintreten Bahnradien von dieser
Größenordnung zu messen, bzw. überhaupt eine Abweichung festzustellen. Auch waren die Spuren
schon von sich aus zum größten Teil sehr gekrümmt, so dass wir die Idee die Art der Strahlung
mittels eines Magnetfelds zu bestimmen wieder verwerfen mussten.
Ein kurzer Test, ob evtl. mit Hilfe eines Plattenkondensators ein ausreichend großes elektrisches Feld
aufgebaut werden könnte, um so die Unterschiede in der Stärke der Ladung zwischen α- und β-
Teilchen zu bestimmen, bzw. etwaig auftretende β-plus-Strahlung nachzuweisen scheiterte leider an
den uns zu Verfügung stehenden Spannungsquellen so dass wir keinerlei Effekt des Kondensators
auf die Teilchen in der Kammer nachweisen konnten. Außerdem gehen wir davon aus, dass auch mit
einer genügend hohen Spannung (und somit einem genügend großen E-Feld) auf Grund der schon
angesprochenen immer vorhandenen Bahnkrümmungen keine gut beobachtbaren Effekte zu erzielen
gewesen wären.
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5.2 Fazit
Als Fazit können wir festhalten, dass eine relativ zuverlässig funktionierende Nebelkammer schon mit
einfachsten Mittel aufgebaut werden kann, wenn einige Dinge beachtet werden:
• Der Temperaturgradient sollte ausreichend groß sein
• Die Beleuchtung sollte eine der Größe der Kammer entsprechende Stärke haben und genau auf
die übersättigte Schicht ausgerichtet werden
• Innerhalb der Kammer sollten nur dunkle und möglichst wenig reflektierende Materialien
verwendet werden
• Einbildung oder nicht: In der Nähe von Fenstern scheint das Aufkommen an in der Kammer
sichtbarer Strahlung größer zu sein
6. Die professionelle Diffusionsnebelkammer
6.1 Aufbau der Kammer
Einen wesentlichen Unterschied zur selbstgebauten Nebelkammer stellt die Art der Kühlung dar.
Während unser Kammerboden mit Trockeneis gekühlt wird, geschieht die Kühlung bei professionellen
Kammern meist mit Peltier-Elementen. Im Folgenden wird kurz deren Funktionsweise erläutert:
Ein Peltier-Element besteht aus zwei oder mehreren kleinen Quadern je aus p- und n-dotiertem
Halbleitermaterial (Wismut-Tellurid, Bi2Te3, Silizium-Germanium), die abwechselnd oben und unten
durch Metallbrücken miteinander verbunden sind.
Ihre Wirkung beruht auf dem Peltier-Effekt, bei dem (verallgemeinert) durch einen elektrischen Strom
(aufgrund einer angelegten Gleichspannung) eine Temperaturdifferenz zwischen zwei oder mehreren
miteinander verbundenen Leitern bzw. Halbleitern erzeugt wird: Der zugeführte elektrische Strom
durchfließt alle Quader nacheinander. Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlen sich die
oberen Verbindungsstellen ab, während die unteren sich erwärmen. Der Strom pumpt somit Wärme
von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten. (s.
Abbildung 18). Peltier-Elemente arbeiten daher wie Wärmepumpen, bei denen elektrische Energie
zur Wärmetrennung (also je nach Polung zur Gewinnung von „Wärme“ bzw. „Kälte“) genutzt wird. Die
gewonnene Wärme bzw. Kälte pro Zeiteinheit ist dabei proportional zur Stromstärke.
Abbildung 18: Schematische Darstellung eines Peltierelements [13]
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Vorteile beim Einsatz von Peltier-Elementen zur Kühlung liegen darin, dass keinerlei Kältemittel
(Kühlschrank!) erforderlich sind und eine „Peltier-Wärmepumpe“ relativ einfach aufgebaut ist. Sie
enthält keine beweglichen Teile (Kompressoren!) und arbeiten daher geräuschlos und verschleißlos.
Von Nachteil ist der verglichen mit anderen Techniken geringere Wirkungsgrad aufgrund von zwei
dem Peltiereffekt entgegenarbeitenden physikalischen Phänomenen: Diese sind die aufgrund des
Stromflusses und des Ohmschen Widerstand entstehende Wärme und der natürliche
„Wärmeausgleichsfluss“ (zwischen kaltem und warmen Ende).
Abbildung 19: Einzelteile der Nebelkammer
Einen weiteren Unterschied stellt die Beleuchtung dar. Die Nebelkammer wird mit einer
Hochleistungs-LED-Beleuchtung ausgestrahlt, die wesentlich lichtstärker ist als eine Taschenlampe.
Die gesamte Nebelkammer wird dadurch besser beleuchtet, und somit ist es zum einen „einfacher“
Bahnen zu visualisieren, und zum anderen können mehrere Personen gleichzeitig das Innere der
Kammer beobachten.
Die weiteren Bestandteile unterscheiden sich nicht wesentlich von unseren (Plexiglasrezipient und
Deckel mit einem Speicher für Isopropanol).
6.2 Inbetriebnahme
Um die Nebelkammer betreiben zu können, müssen das Peltier-Element und die Beleuchtung an ein
Netzgerät angeschlossen werden. Des weiteren muss die Bodenplatte, in deren Inneren sich das
Peltier-Element befindet, über Schläuche an einen Wasserhahn angeschlossen werden (vgl.
Abbildung 20). Das „durchfließende“ Leitungswasser dient zur Kühlung der warmen Seite des Peltier-
Elements.
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Abbildung 20: Inbetriebnahme der professionellen Nebelkammer
Abbildung 21: Betriebene professionelle Nebelkammer
Verständlicherweise ist mit einer professionellen Nebelkammer eine bessere Visualisierung und
Auflösung als mit der Selbstgebauten möglich.
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7. Literaturverzeichnis
[1] http://www.praktikum.physik.uni-goettingen.de/
Projekte/PP05_Protokoll_FF_Nebelkammer.pdf
[2] http://www.cip.physik.uni-saarland.de/ ~marsch/activity/nebelkammer.doc
[3] Demtröder, Experimentalphysik 4 - Kern-, Teilchen- und Astrophysik, 2. Auflage
[4] Knoche, technische Thermodynamik,4.Auflage
[5] Paul A. Tipler, Physik
[6] Dtv-Atlas zur Physik, Band 1, Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik
[7] Becker, Theorie der Wärme
[8] Gerthsen, Kneser, Physik, 10.Auflage
[9] Baehr, Thermodynamik, 12.Auflage
[10] Duden, Schülerduden Physik
[11] Gradmann/Wolter, Grundlagen der Atomphysik, Studientext
[12] Martienssen, Einführung in die Physik III Thermodynamik, Studientext
[13] http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite
[14] http://nebelkammer.phywe.de/
[15] http://harendt.de/studinf/pIII/spezrel/hhenstra.htm
[16] http://www.r-haas.de/v10.html
[17] http://www.physik.fu-berlin.de/~brewer/vm_kern2.html
[18] http://www.rapp-instruments.de/cloud-chambers/expansion-chambers/wilson.htm
[19] http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_01.html
[20] http://www.s-line.de/homepages/phoenix/index.html?http://www.sline.de/homepages/phoenix/peltier/peltier-effekt.html
[21] http://www.conatex.com/www/mediapool/betriebsanleitungen/BAD_1009040.pdf
[22] Demtröder, Experimentalphysik 2 – Elektrizität und Optik, 2.Auflage
[23] Grupen, Astroteilchenphysik, Vieweg Verlag, 1. Auflage Sep. 2000
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