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Versuche

Expansionsnebelkammer

Ziel des Versuchs

Ziel des Versuches ist es, ionisierende Teilchenstrahlung durch ein von ihnen erzeugte Nebelspur in einer Nebelkammer nachzuweisen.

Versuchsaufbau

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau einer Expansionsnebelkammer nach Wilson

Eine Expansionsnebelkammer nach Wilson besteht heute meist aus einer flexiblen Gummiblase, die unterhalb einer luftdichten, durchsichtigen Beobachtungskammer angebracht ist. Durch Drücken bzw. Loslassen der Blase wird übersättigter Wasserdampf in der Beobachtungskammer erzeugt. Auf dem Boden der Beobachtungskammer befindet sich, unterhalb einer schwarzen Fläche eine Art Schwamm. Dieser muss mit einem 1:1 Gemisch aus Wasser und Alkohol (Spiritus genügt) gut befeuchtet werden. Dies geschieht am besten mit einer Pipette durch den Aufnahmestutzen des Strahlerstiftes. Anschießend wird der zugehörige Strahlerstift durch diese Öffnung am Boden der Beobachtungskammer in dieser geschraubt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Strahlrichtung in die Nebelkammer hinein zeigt. Zusätzlich wird noch ein Fell oder ein Wolltuch zum Reiben am Deckel der Beobachtungskammer benötigt. Dadurch wird ein elektrisches Feld zwischen Deckel und Boden erzeugt. Dieses reduziert die freien Ionen in der Kammer.

Hinweis: Teilweise besitzen Expansionsnebelkammern anstelle der Gummiblase auch einen verschiebaren Kolben, der nach unten gezogen wird, um den übersättigten Wasserdampf zu erzeugen.

Versuchsdurchführung

Im abgedunkelten Raum wird die Beobachtungskammer mit der Lampe seitlich beleuchtet. Die Beobachtung erfolgt von oben und kann bspw. mittels Dokumentenkamera für alle sichtbar gemacht werden. Nun wird die Gummiblase kräftig zusammengedrückt, kurz gehalten und wieder losgelassen.

Beobachtung

Beim Loslassen der Gummiblase werden in der Beobachtungskammer geradlinige Nebelspuren sichtbar, die nach kurzer Zeit durch Luftzirkulation in der Kammer verwirbeln und schnell wieder verschwinden. Diese Nebelspuren Spuren werden von den von radioaktiven Präparat ausgehenden \(\alpha\)-Teilchen verursacht.

Erklärung

Abb. 3 Bildung eines Nebeltröpfchens durch ein schnelles Teilchen, das ein Gasmolekül ionisiert.

Die Animation zeigt, wie die Nebelspuren durch die \(\alpha\)-Teilchen verursacht werden.

Trifft in einem mit Wasserdampf (gasförmiges Wasser) übersättigtem Gas ein schnelles Teilchen auf ein Gasmolekül, so ionisiert es dieses, indem es ein Elektron herausschlägt. An das positiv geladene Ion lagern sich in kugelförmigen Schalen die in der Nähe befindlichen Wasserdipole an. An dieser Stelle wird Nebel sichtbar.

Die Nebelstreifen können also als Nachweis für \(\alpha\)-Strahlung genutzt werden.

Kondensstreifen von Flugzeugen als analoge Erscheinung

In der Natur kann ein ähnliches Phänomen wie in der Nebelkammer bei der Entstehung von Kondensstreifen hinter Flugzeugen beobachtet werden. Hierbei spielt jedoch ionisierende Strahlung keine Rolle. Stattdessen sorgen wasserdampf- und rußhaltige Abgase von Flugzeugtriebwerken für die Bildung der Nebelstreifen, da sie die Kondensationskeime für die Luftfeuchtigkeit darstellen.

Abb. 4 Kondensstreifen hinter einem Flugzeug

In typischen Reisehöhen von Verkehrsflugzeugen von \(8\,-\,11\,\rm{km}\) ist es mit unter \(-40\,^{\circ}\rm{C}\) kalt genug, dass auch bei relativ trockener Luft Kondensstreifen entstehen können. Durch die Luftverwirbelung nimmt der Sättigungsdampfdruck ab und es kommt zu einer Übersättigung der Luft. An den Rußteilchen der Abgase kondensiert Wasserdampf und es entsteht ein sichtbarer Kondensstreifen, da Licht an den Wasserteilchen gestreut wird.

Je nach Strömungsverhältnissen in der jeweiligen Luftschicht verwirbeln die Kondensstreifen schnell oder bleiben sehr lange am Himmel sichtbar.

Nachteil einer Expansionsnebelkammer

Der Nachteil einer solchen Expansionsnebelkammer besteht darion, dass nur im Augenblick der Expansion schnelle Teilchen nachgewiesen werden können. Um dauerhaft Teilchen nachweisen zu können, wird eine kontinuierliche Nebelkammer benötigt. Wie eine solche Nebelkammer aufgebaut ist, kannst du im Ausblick erkunden. Weiter findest du hier Bilder von charakteristischen Teilchenspuren, die unterschiedliche Teilchen in der Nebelkammer hinterlassen.