Wie erstelle ich eine Wolkenkammer?

Obwohl Sie es nicht sehen können, ist die Hintergrundstrahlung überall um uns herum. Natürliche (und harmlose) Strahlungsquellen umfassen kosmische Strahlung, radioaktiven Zerfall von Elementen in Gesteinen und sogar radioaktiven Zerfall von Elementen in lebenden Organismen. Eine Wolkenkammer ist ein einfaches Gerät, mit dem wir den Durchtritt ionisierender Strahlung beobachten können. Mit anderen Worten, es ermöglicht indirekt Beobachtung der Strahlung. Das Gerät ist auch als Wilson Cloud Chamber bekannt, zu Ehren seines Erfinders, des schottischen Physikers Charles Thomson Rees Wilson. Entdeckungen, die mit einer Wolkenkammer und einem verwandten Gerät namens Blasenkammer gemacht wurden, führten 1932 zur Entdeckung des Positrons, 1936 zur Entdeckung des Myons und 1947 zur Entdeckung des Kaons.

Wie eine Wolkenkammer funktioniert

Es gibt verschiedene Arten von Wolkenkammern. Die Diffusionswolkenkammer ist am einfachsten zu konstruieren. Grundsätzlich besteht das Gerät aus einem versiegelten Behälter, der oben warm und unten kalt gemacht wird. Die Wolke im Inneren des Behälters besteht aus Alkoholdampf (z. B. Methanol, Isopropylalkohol). Der warme obere Teil der Kammer verdampft den Alkohol. Der Dampf kühlt sich beim Fallen ab und kondensiert auf dem kalten Boden. Das Volumen zwischen Ober- und Unterseite ist eine Wolke übersättigter Dämpfe. Wenn ein energetisch geladenes Teilchen (die Strahlung) durch den Dampf strömt, hinterlässt es eine Ionisationsspur. Die Alkohol- und Wassermoleküle im Dampf sind polar und werden daher von ionisierten Partikeln angezogen. Da der Dampf übersättigt ist, kondensieren die Moleküle bei Annäherung zu nebligen Tröpfchen, die auf den Boden des Behälters fallen. Der Weg des Weges kann bis zum Ursprung der Strahlungsquelle zurückverfolgt werden.

Mache eine hausgemachte Wolkenkammer

Für den Bau einer Nebelkammer werden nur wenige einfache Materialien benötigt:

Klarglas- oder Kunststoffbehälter mit Deckel
99% Isopropylalkohol
Trockeneis
Isolierter Behälter (z. B. ein Schaumkühler)
Saugfähiges Material
Schwarzes Papier
Sehr helle Taschenlampe
Kleine Schüssel mit warmem Wasser

Ein guter Behälter könnte ein großes leeres Erdnussbutterglas sein. Isopropylalkohol ist in den meisten Apotheken als Rubbelalkohol erhältlich. Stellen Sie sicher, dass es 99% Alkohol ist. Methanol funktioniert auch für dieses Projekt, ist aber viel giftiger. Das absorbierende Material könnte ein Schwamm oder ein Stück Filz sein. Eine LED-Taschenlampe eignet sich gut für dieses Projekt, aber Sie können die Taschenlampe auch auf Ihrem Smartphone verwenden. Sie möchten auch, dass Ihr Handy Bilder von den Spuren in der Wolkenkammer macht.

Füllen Sie zuerst ein Stück Schwamm in den Boden des Glases. Sie möchten eine perfekte Passform, damit sie beim späteren Umdrehen des Glases nicht herunterfällt. Bei Bedarf kann ein bisschen Lehm oder Gummi helfen, den Schwamm am Glas festzuhalten. Vermeiden Sie Klebeband oder Kleber, da der Alkohol es auflösen kann.
Schneiden Sie das schwarze Papier ab, um die Innenseite des Deckels abzudecken. Schwarzes Papier verhindert Reflexionen und ist leicht saugfähig. Wenn das Papier beim Verschließen des Deckels nicht an Ort und Stelle bleibt, kleben Sie es mit Ton oder Gummi auf den Deckel. Legen Sie den mit Papier ausgekleideten Deckel zur Seite.
Gießen Sie Isopropylalkohol in das Gefäß, damit der Schwamm vollständig gesättigt ist, aber keine überschüssige Flüssigkeit vorhanden ist. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, Alkohol zuzugeben, bis er flüssig ist, und dann den Überschuss herauszugießen.
Verschließen Sie den Deckel des Glases.
Gießen Sie in einem Raum, der vollkommen dunkel sein kann (z. B. in einem Schrank oder einem Badezimmer ohne Fenster), Trockeneis in einen Kühlschrank. Drehen Sie das Glas um und legen Sie es mit dem Deckel nach unten auf das Trockeneis. Geben Sie dem Glas etwa 10 Minuten Zeit zum Abkühlen.
Stellen Sie eine kleine Schüssel mit warmem Wasser auf die Wolkenkammer (auf den Boden des Glases). Das warme Wasser erwärmt den Alkohol zu einer Dampfwolke.
Schalten Sie zum Schluss alle Lichter aus. Eine Taschenlampe durch die Seite der Wolkenkammer strahlen. Sie sehen sichtbare Spuren in der Wolke, wenn ionisierende Strahlung in das Glas eintritt und es verlässt.

Sicherheitsaspekte

Obwohl Isopropylalkohol sicherer als Methanol ist, ist er beim Trinken giftig und leicht entzündlich. Halten Sie es von Wärmequellen oder offenen Flammen fern.
Trockeneis ist kalt genug, um bei Kontakt Erfrierungen zu verursachen. Es sollte mit Handschuhen gehandhabt werden. Lagern Sie Trockeneis auch nicht in einem verschlossenen Behälter, da ein Druckaufbau, da der Feststoff in Gas sublimiert, eine Explosion verursachen kann.

Dinge zu versuchen

Wenn Sie eine radioaktive Quelle haben, platzieren Sie diese in der Nähe der Wolkenkammer und beobachten Sie die Wirkung der erhöhten Strahlung. Einige alltägliche Materialien sind radioaktiv, wie Paranüsse, Bananen, Tonstreu und Vaseline-Glas.
Eine Nebelkammer bietet eine hervorragende Möglichkeit, Methoden zur Abschirmung gegen Strahlung zu testen. Platzieren Sie verschiedene Materialien zwischen Ihrer radioaktiven Quelle und der Nebelkammer. Beispiele hierfür sind eine Tüte Wasser, ein Stück Papier, Ihre Hand und ein Blech. Welches ist am besten gegen Strahlung abzuschirmen?
Versuchen Sie, ein Magnetfeld an die Nebelkammer anzulegen. Positiv und negativ geladene Teilchen krümmen sich in Abhängigkeit vom Feld in entgegengesetzte Richtungen.

Nebelkammer gegen Blasenkammer

Eine Blasenkammer ist eine andere Art von Strahlungsdetektor, der auf demselben Prinzip wie die Wolkenkammer basiert. Der Unterschied besteht darin, dass in Blasenkammern überhitzte Flüssigkeit anstelle von übersättigtem Dampf verwendet wurde. Eine Blasenkammer wird hergestellt, indem ein Zylinder mit einer Flüssigkeit knapp über seinem Siedepunkt gefüllt wird. Die häufigste Flüssigkeit ist flüssiger Wasserstoff. Normalerweise wird ein Magnetfeld an die Kammer angelegt, so dass sich ionisierende Strahlung entsprechend ihrer Geschwindigkeit und ihrem Verhältnis von Ladung zu Masse auf einem spiralförmigen Weg bewegt. Blasenkammern können größer als Wolkenkammern sein und können verwendet werden, um energiereichere Partikel zu verfolgen.

Wissenschaft