Nebelkammer

Mit einer kontinuierlichen Nebelkammer kannst du den Verlauf von radioaktiver Strahlung sichtbar machen. Sie besteht aus einem gasgefüllten Gefäß mit starkem Temperaturgefälle.


Aufbau

Die Nebelkammer ähnelt einem Aquarium, auf das eine Heizplatte gelegt wurde. Auf der Oberseite guckt ein Schlauch aus der Kammer.

Die (nicht) kontinuierliche Nebelkammer besteht aus:

  • Einem durchsichtigen Glas- oder Plastikgefäß mit schwarzem Boden
  • Einem kleinen Schlauch (oder einem mit Alkohol getränkten Stoff)
  • Einer Heizplatte auf der Oberseite
  • Einer Kühlplatte (oder Trockeneis) unter der Kammer
  • Einer hellen und breiten Lichtquelle, zum Beispiel eine Taschenlampe oder ein Strahler

Funktionsweise

Über einen erwärmten, in Alkohol getränkten Stoff oder einen Schlauch gibst du feinen Alkoholdampf in die Kammer ab.

Die geschlossene Kammer selbst dient dazu, dass dein Alkoholdampf nicht wieder entweichen kann.

Durch die Heiz- und Kühlplatte entsteht ein großes Temperaturgefälle im Inneren.

Der im warmen Bereich zugegebene Alkoholdampf sinkt in den kühleren Bereich ab.

Er kühlt dabei immer weiter ab und sammelt sich über dem kalten Boden. Die Dichte am Boden ist dadurch also viel höher als am Deckel.

Auf diese Weise wird die Luft am Boden übersättigt. Das heißt: Die Luft enthält mehr Alkohol als sie halten kann.

Wenn jetzt geladene \bf \alpha-α\bf \alpha- oder \betaβ\beta-Teilchen in den unteren Teil des Behälters gelangen, erzeugen sie dort Ionen.

Die Ionen dienen als Kondensationskeime. Das bedeutet, dass der übersättigte Alkoholdampf an den Ionen kondensiert - also wieder flüssig wird.

Die kleinen Alkoholtropfen bilden sich deswegen überall dort, wo sich die Strahlung entlang bewegt hat.

Das ist genau wie bei Flugzeugen: Auch dort kannst du die Kondensstreifen am Himmel sehen, selbst wenn das Flugzeug schon nicht mehr zu erkennen ist.

Ganze Nebelkammer
Bodenplatte

Im Versuch siehst du die Bahnen der Strahlung am besten mit einer starken Taschenlampe: Strahlst du damit kurz über dem Boden durch den Behälter blitzen die Tröpfchen auf.

Das Phänomen kennst du auch, wenn du einmal abends im Regen draußen warst: Unter einer Laterne oder im Licht deiner Fahrradlampe kannst du die Regentropfen viel besser erkennen!

Einsatzmöglichkeiten

Mit der Nebelkammer ist eine Unterscheidung der Strahlungsteilchen anhand von Länge und Dicke der Kondensstreifen möglich. Diese ist aber besonders für ungeübte Forscher:innen sehr ungenau.

Die einzige Strahlung, die du in der klassischen Nebelkammer sicher ausschließen kannst, ist die \gammaγ\gamma-Strahlung: Da sie keine Ladung hat, kannst du sie nämlich mit der Nebelkammer ohne weitere Hilfsmittel nicht nachweisen.

Heutzutage gibt es viel genauere und zuverlässigere Geräte, mit denen du die Strahlungsart und -stärke bestimmen kannst. EIn beliebtes Messgerät ist zum Beispiel der Geiger-Müller-Zähler.

Aus diesen Gründen wird die Nebelkammer nur noch zu schulischen Zwecken genutzt.

Historisch ist sie aber sehr wichtig:
Mit ihr konnten verhältnismäßig einfach die Bahnen von Strahlungsteilchen verfolgt werden. Man hat auch das Positron und ein weiteres Teilchen, das sogenannte Myon, erst durch die Nebelkammer entdeckt.


Beispiele

Länge der Kondensstreifen

Lea untersucht zwei unterschiedliche Strahlungsquellen mit einer Nebelkammer. Ihr fällt auf, dass die Kondensstreifen bei dem einen Präparat viel länger und dünner sind, als bei dem anderen.

Stelle eine Theorie auf, warum die Kondensstreifen unterschiedlich lang und dick sind.

Lösung

Sowohl die \betaβ\beta-Strahlung, als auch die \alpha-α\alpha-Strahlung können Ionen erzeugen.
Es gibt aber einen wichtigen Unterschied:

Während die Elektronen und Protonen gleichmäßig und langsam Ionen erzeugen, erzeugen die \alphaα\alpha-Teilchen sehr viele Ionen in kurzer Zeit.
Jedes Teilchen kann aber nur eine bestimmte Anzahl an Ionen erzeugen - nämlich so lange, bis es nicht mehr ausreichend Energie dafür besitzt.

Das heißt, dass die \alphaα\alpha-Strahlung sehr viele Ionen hintereinander erzeugt und somit eine dichte Kondensationswolke auf kleinem Raum entsteht. Dahinter hat das Teilchen dann nicht mehr genug Energie für weitere Ionisierungen. Die Linie ist insgesamt also kurz und dick.

Das \betaβ\beta-Teilchen hingegen erzeugt nicht so viele Ionen auf einmal. Teilweise kannst du in der Linie sogar Lücken erkennen, also Stellen, an denen gar keine Ionen erzeugt wurden. An den wenigen Ionen, die erzeugt wurden, wird auch nur wenig kondensiert. Die Linie wird viel feiner. Auf diese Weise kann das \betaβ\beta- Teilchen auch eine viel größere Strecke zurücklegen, bis ihm die Energie ausgeht. Es entstehen lange, schmale Linien.

Richtung der Kondensstreifen

Jan bestrahlt seine Nebelkammer mit \beta^-β\beta^--Teilchen. Er weiß, dass er eine reine Strahlungsquelle hat. Deswegen erwartet er, dass die Strahlenverläufe alle gleich aussehen.

Bei dem Versuch ergibt sich aber plötzlich ein ganz anderer Verlauf:

Einige der Elektronen aus der \beta^-β\beta^--Strahlung bewegen sich in stark gekrümmten Bahnen, andere in leicht gekrümmten Bahnen und wieder andere völlig geradlinig durch die Kammer.

Überlege, was die Elektronen voneinander unterscheiden könnte und erkläre das Phänomen.

Lösung

Die Elektronen stammen zwar alle aus derselben Strahlungsquelle, besitzen aber unterschiedliche Energien. Anders als bei der \alphaα\alpha-Strahlung ist die Geschwindigkeit, mit der die \betaβ\beta-Teilchen aus dem Kern treten, nicht gleich. Bei \betaβ\beta-Teilchen spricht man deswegen von einem kontinuierlichen Energiespektrum.
Die \alphaα\alpha-Strahlung, bei der alle Teilchen die gleiche Energie haben und alle Linien gerade und ähnlich lang verlaufen, besitzt ein diskretes Energiespektrum.

Für die \betaβ\beta-Strahlung bedeutet das: Elektronen, die langsamer austreten, haben auch eine geringere Energie und können bei den Ionisationsstößen leicht abgelenkt werden. Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit und Energie aus dem Kern treten, lassen sich nur schwer ablenken.

Die stark gekräuselten Linien entstehen also durch die langsameren \betaβ\beta-Teilchen, die ständig abgelenkt werden. Die leicht gekrümmten Linien entstehen durch Teilchen mit mittlerer Geschwindigkeit. Die geraden Linien entstehen durch die sehr schnellen \betaβ\beta-Teilchen, die nahezu nie abgelenkt werden.

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