Über nebelkammern

Das Alphateilchen zeichnet sich durch die Gruppierung zweier Protonen und zweier Neutronen aus, es handelt sich also um den Kern des Heliums. Alphateilchen hinterlassen in der Nebelkammer kürzere, aber stärkere Spuren. Der Strom an Alphateilchen nennt sich radioaktive Alphastrahlung. Es handelt sich um die am wenigsten durchdringende Strahlung, schon ein Blatt Papier oder auch nur mehrere Meter Luft können sie aufhalten. Natürliche Quellen von Alphastrahlung sind z.B. Uran, Radium oder auch Radon. Das Isotop Radon Rn-222 ist für sein Sammlungspotenial in Gebäuden bekannt, da es sich aus der Erdkruste löst. Ein Beispiel für eine künstliche Quelle von Alphastrahlung ist das Isotop Am-241 des Elements Americium, das in der Natur normal nicht auftritt.

Verschiedenartige, oft dünne Zickzack-Spuren oder dünne gerade Spuren gehören Elektronen. Wie sehr die Spur der Elektronen abbiegt hängt von deren Energie ab. Elektronen mit hoher Energie bahnen sich den Weg in gerader Richtung, Elektronen mit niedriger Energie ändern ihre Richtung aufgrund des Zusammenstossens mit Isopropylalkohol-Molekülen. Elektronen in der Nebelkammer haben ihren Ursprung wieder entweder in der radioaktiven Verwandlung auf der Erde, also als Teil der natürlichen Hintergrundradioaktivität, oder stammen von der sekundären kosmischen Strahlung. Ein Elektronenstrahl wird als Betaminus-Strahlung bezeichnet. Die Betastrahlung durchdringt stärker als die Alphastrahlung, sie kann z.B. durch eine 1 mm starke Bleiplatte abgeschirmt werden.

Das Positron ist das erste beobachtbare Teilchen Antimaterie, es ist das Antiteilchen des Elektrons. Seine Spur ist mit der des Elektrons identisch, man kann die Spuren dieser Teilchen durch Platzierung der Nebelkammer in einem Magnetfeld unterscheiden, wo sich die Spuren von Elektronen und Positronen in Gegenrichtung erstrecken. Dieses Elektron wurde erstmals im Jahre 1932 durch Carl Anderson entdeckt, der für diese Entdeckung den Physiknobelpreis erhielt. Die beobachteten Positronen stammen von der kosmischen Strahlung oder vom natürlichen Zerfall der Atome auf der Erde. Den Strom ausgestrahlter Positronen bezeichnen wir als Betaplus-Strahlung. Ein Beispiel für eine natürliche Quelle radioaktiver Betaplus-Strahlung ist Kalium 40-K, das am meisten in Bananen enthalten ist. Die Konsumierung einer Banane entspricht einer Dosis von 1% der durchschnittlichen täglichen Dosis radioaktiver Strahlung, welche auf den Menschen einwirkt. Positronen begegnen uns auch in der Medizin, und das konkret beim Positronenemissionstomographen (PET). Es handelt sich um eine Abbildungsmethode, die einzelnes Gewebe darstellt. Diese Methode beruht auf der Interaktion mit einem Radiopharmakum, das dem Patienten verabreicht wird. Dieses Radiopharmakum ist eine Betaplus-Strahlungsquelle, also ein Emittent von Positronen. Die herausfliegenden Positronen annihilieren mit den Elektronen, die in den Atomkörpern anwesend sind. Der Detektor registriert dabei Photonen, die bei der Annihilierung ausgestrahlt werden. In der Nebelkammer kann die Annihilierung der Positronen und Elektronen aus dem Verlauf der Spuren in der Nebelkammer identifiziert werden.

Markante Spuren, die oft die ganze Fläche der Nebelkammer durchziehen, gehören Protonen, den Teilen, die den Atomkern bilden. Diese Protonen haben ihren Ursprung in der kosmischen Strahlung. Die Spuren der Protonen können sich durch die gesamte Beobachtungsfläche ziehen, aber auch kürzere Spuren und nur Punkte – das hängt von dem Winkel ab, unter dem das Proton in die Nebelkammer eintritt. Auf Protonen kann man in der Medizin treffen, konkret im Bereich Radiotherapie. In der Protonenbehandlung werden beschleunigte Protonen zur Bestrahlung kranken Gewebes bzw. von Tumoren und Karzinomen verwendet. Die Protonenbehandlung ist ein Beispiel der Nutzung eines ursprünglichen Forschungsgeräts für eine konkrete Anwendung – die Protonen werden mittels eines Teilchenbeschleunigers beschleunigt (Cyklotron).

Pionen sind Teilchen, die aus einem Paar der Elementarteilchen Quarks “u” und “d” bestehen, wobei sie immer ein Quark und ein Antiquark enthalten. In der Nebelkammer kann man nur Spuren geladener Pionen beobachten. Die Spuren eines Pions sind denen eines Elektrons sehr ähnlich und es ist schwer deren Spuren zu unterscheiden; dies kann anhand des Verlaufs der Spur in der Nebelkammer erfolgen. Pione sind auch Teil der sekundären kosmischen Strahlung, die in der Atmosphäre aus der Interaktion von primärer kosmischer Strahlung mit den Teilchen der Atmosphäre entstehen.

Kaonen sind Teilchen, die aus einem Quark „s” und einem Quark “u” oder “d” bestehen, immer im Paar Quark und Antiquark. In der Nebelkammer können diese Teilchen aus dem Verlauf der Spuren beim Zerfalls eines Kaons identifiziert werden, wobei die Kaonen zu Pionen zerfallen. Kaonen wurden im Jahre 1947 beim Studium des sekundären kosmischen Strahlung, deren Bestandteil sie sind, auf Aufnahmen aus einer Nebelkammer entdeckt.

Das Elastic proton scattering ist eines der seltensten Erscheinungen, welche in der Nebelkammer beobachtet werden können. Es handelt sich um eine Art der Interaktion, bei der es zu einem elastischen Zusammenstoß zweier Protonen kommt.

In der Nebelkammer kann der Zerfall eines Myons durch schwache Interaktion zu einem Elektron beobachtet werden. Dieser Zerfall kann am Verlauf der Nebelspur klar beobachtet werden. Die dicke Nebelspur des Myons bricht plötzlich scharf und wird dünner – das Myon ist zerfallen und wir beobachten die dünnere Spur des Elektrons. Die weiteren Teilchen – das Myonneutrino und Elektronen-Antineutrino – können wir in der Nebelkammer nicht beobachten, da diese Teile nicht elektrisch geladen sind.

Annihilation tritt in dem Augenblick ein, wenn ein Teilchen seinem Antiteilchen begegnet. Das bekannteste Beispiel ist die Annihilation eines Elektrons und eines Positrons, bei der die Gamma-Zweiphotonenstrahlung entsteht. In der Nebelkammer wird diese Erscheinung als zwei dünne Spuren beobachtet (Elektron und Positron), die an der gleichen Stelle enden. Die Gammaphotonenstrahlung kann in der Nebelkammer nicht beobachtet werden, das diese Teilchen keine elektrische Ladung tragen. Diese Erscheinung kann auch in umgekehrter Reihenfolge beobachtet werden, wenn ein Photon zu einem Elektron und einem Proton zerfällt, ihre Spuren gehen also vom gleichen Punkt aus.

Im Jahre 1991 wurde erstmals ein Teilchen beobachtet, das eine ultrahohe Energie hatte, vergleichbar z.B. mit der kinetischen Energie eines fliegenden Fußballs. Dieses Teilchen hat sicher seinen Ursprung im Weltall, flog also als Teil der kosmischen Strahlung an, aber sein genauer Ursprung ist bisher unsicher. Das “Oh-mein-Gott”-Teilchen ähnelt am meisten sehr schnell fliegenden Protonen. Theoretisch kann ein solches Teilchen in der Nebelkammer beobachtet werden, jedoch wurden bisher nur ganz wenige solcher Teilchen beobachtet.