Nebelkammer - Physikalisches Projektpraktikum

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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