Nebelkammer

Als Nebelkammer wird in der Physik ein Teilchendetektor bezeichnet, der dem Nachweis von ionisierender Strahlung dient und den Weg der (geladenen) Teilchen sichtbar macht. Nebelkammern werden heute fast nur noch zu Demonstrationszwecken verwendet. Früher waren Nebelkammern hingegen bedeutende wissenschaftliche Instrumente zur Erforschung der von radioaktiven Stoffen ausgehenden Strahlen. So wurde der Physiker Charles T. R. Wilson für die Entwicklung der Expansionsnebelkammer (auch Wilsonschen Nebelkammer, siehe Variante 2 weiter unten) 1927 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Variante 1: Diffusionsnebelkammer

Eine Diffusionsnebelkammer besteht aus einem durchsichtigen, geschlossenen Behälter aus Glas oder Kunststoff. Unter dem Deckel befindet sich ein in Alkohol (z.B. Isopropanol) getränkter Schwamm. Der Boden des Behälters wird stark gekühlt. Dazu verwende ich zwei aufeinander platzierte Peltierelemente, die auf der Kühlfläche eines starken CPU-Kühlers ruhen. Legt man an Peltierelemente eine elektrische Spannung an, so wird eine Seite heiß und die andere kalt. Es ist also die Umkehrung der sog. Thermospannung (Seebeck-Effekt). Ich verwende deshalb zwei Peltierelemente, weil damit eine niedrigere Temperatur erzielt werden kann.

Innerhalb des mit Alkoholdampf durchsetzten Behälters entsteht somit ein Temperaturgradient. Kalte Luft kann weniger Wasser bzw. Alkohol aufnehmen als warme. Daher kondensiert dieser in einer übersättigten Schicht knapp über dem kalten Boden. Diese Kondensation findet primär an sog. Kondensationskeimen statt. Dies kann etwa Staub sein oder die von der radioaktiven Strahlung erzeugte Ionenspur. Deshalb bildet sich entlang des Weges der radioaktiven Strahlung eine Kondensationsspur ähnlich dem Kondensstreifen bei Flugzeugen.

Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensstreifen#/media/Datei:MK35097_Contrails.jpg

Als Peltierelemente verwende ich unten das Modell 12710 an 12V und darüber das Modell 12709 an 5V. Damit erziele ich eine Bodentemperatur < -30 °C. Sämtliche für den Betrieb notwendigen Spannungen werden von einem alten PC-Netzteil bereitgestellt.

Damit die erzeugten Ionen/Elektronen abgesaugt werden, liegt zwischen Grundplatte und Deckel eine Hochspannung im Bereich von ca. 1-2 kV an. Diese wird bei meiner Nebelkammer mit einem CCFL-Inverter + nachgeschalteter Kaskade umgesetzt.

Ergebnisse mit Americium-241 (Alphastrahler):

 

 


Variante 2: Expansionsnebelkammer nach Wilson

Diese Variante ist quasi die klassische Variante und geht wie Eingangs schon erwähnt auf den Physiker Charles Wilson zurück. Das Prinzip zur Erzeugung des übersättigten Alkoholdampfes ist in diesem Fall die sog. adiabatische Expansion. Darunter versteht man eine sehr schnelle Expansion eines Gases, bei der nicht nur der Druck durch die Volumszunahme abnimmt (siehe isotherme Expansion; Boyle-Mariotte Gesetz), sondern zusätzlich auch noch die Temperatur sinkt. Dies ist deshalb der Fall, da das Gas bei der Expansion Arbeit leistet (etwa u.a. um den Abstand zwischen den Alkoholmolekülen zu vergrößern bzw. den Kolben wegzudrücken).

Die Hochspannung zur Absaugung der Ionen/Elektronen wird wieder mittels CCFL-Inverter + Kaskade erzeugt. Als Spritze kommt das Modell “Jumbo XXL” zum Einsatz…

Damit die Nebelspuren deutlicher sichtbar werden, ist erstens die Bodenplatte mit schwarzen Velourstoff bezogen und zweitens leuchtet eine helle, weiße LED seitlich in den Innenraum des Glases. Radioaktive Testquelle war wieder der Alphastrahler Americium-241 (Aktivität ca. 1 µCi).