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Die Nebelkammer: Funktionsweise, Anwendung und Aufbau

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Lecture
Physics

University, School

Steenbeck Gymnasium Cottbus

Grade, Teacher, Year

1, 2013

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Die Nebelkammer: Funktionsweise, Anwendung und Aufbau

Der Erfinder

Charles Thomson Rees Wilson wurde am 14.Februar 1869 als Sohn des Bauern John Wilson und dessen Frau Annie Clerk Harper im Parish Glencorse in der Grafschaft Midlothian bei Edinburgh geboren.

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)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.

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 am 15. November 1959 in Carlops im Kreise seiner Familie.


Grundlagen

Sättigung

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 nic.....[read full text]

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Die Tabelle weiter unten enthält einige beispielhafte Werte zur Sättigungsmenge des Wasserdampfs als Funktion der Temperatur aus D. Sonntag (1982). Es muss hierbei aufgrund der unterschiedlichen Werte des Sättigungsdampfdrucks unter einer Temperatur von 0°C danach unterschieden werden, ob eine Wasser- oder eine Eisoberfläche vorliegt.


Grundprinzip

Grundprinzip einer jeden Nebelkammer ist es, in einem Gas-Dampf-Gemisch (z.B. Luft mit Wasserdampf oder Alkoholdampf) eine übersättigte Schicht zu erzeugen. In dieser übersättigten Schicht ist es dann möglich, einfallende ionisierende Strahlung 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.


Expansionskam.....

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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


Die Nebelkammer wird oft in einem Magnetfeld angebracht. Da Alpha- und Beta – Teilchen elektrisch aufgeladen sind, kann man aus der Krümmung der Bahn auf die jeweilige Energie und Impuls der auslösenden Teilchen schließen. Misst man außerdem den Radius der Bahnen, so kann man das Verhältnis von Ladung und Geschwindigkeit der betreffenden Teilchen ermitteln.


Diffusionsnebelkammer

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 .....

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  • -Teilchen und Elektronen:
    Bei diesen Teilchen sind verschiedene andersartige Nebelspuren möglich. Beobachtet man eine dünne, gerade Nebelspur, welche über die gesamte Beobachtungsfläche verläuft, so handelt es sich um schnelle und energiereiche Elektronen. Haben die Elektronen eine geringere Geschwindigkeit oder Energie, so sind die Nebelspuren wesentlich kürzer.

    Haben die Spuren einen gekrümmten oder geknickten Verlauf, dann kam es zu einer Streuung an anderen Teilchen. Handelt es sich um sehr energiearme Elektronen oder-Teilchen sind die Bahnen sehr kurz und verschlungen. Diese Schlingen entstehen durch Vielfachstreuung an den Atomhüllen des übersättigten Alkoholdampfes.

    Da Beta-Teilchen nichts anderes als Elektronen sind, haben sie eine geringe Masse und sind damit auch leicht ablenkbar.

  • 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.

Die Abbildung zeigt die Aufnahme eines von rechts kommenden Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, die auf eine Silberplatte trifft. Man weißen Spuren stellen Fotoelektronen dar, die durch die Strahlung ausgelöst werden.

  • Myonen:
    Neben den oben erwähnten Teilchen können auch Myonenspuren mit der Nebelkammer beobachtet werden. Die Myonen haben entweder eine positive oder eine negative Elementarladung und eine Masse, die dem 207fachen der Elektronenmasse entspricht. Treten Myonen mit hoher Energie in die Kammer ein, so ähneln die Nebelspuren denen der Elektronen.

    Wurden die Myonen hingegen stark abgebremst, so sieht die Spur der der-Teilchen ähnlich. Auf Grund dieses Umstands, kann eine Unterscheidung der einzelnen T.....

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