Was ist Wolkenkammer – Definition

Wolkenkammern, auch Wilson-Wolkenkammern genannt, sind Teilchendetektoren, die für die frühe Kern- und Teilchenphysikforschung unverzichtbar waren. Strahlendosimetrie
Alpha-Partikel - Wolkenkammer
Alphateilchen und Elektronen (durch ein Magnetfeld abgelenkt) von einem Thoriumstab in einer Wolkenkammer.
Quelle: wikipedia.org

Nebelkammern , auch bekannt als Wilson Nebelkammern , sind Teilchendetektoren, die waren wesentliche Geräte in früher Kern- und Teilchenphysik Forschung. Wolkenkammern, eines der einfachsten Instrumente zur Untersuchung von Elementarteilchen , wurden in der aktuellen Forschung durch modernere Detektoren ersetzt, sind aber nach wie vor ein sehr interessanter pädagogischer Apparat.

Nebelkammer – Funktionsprinzip

Das grundlegende Prinzip dahinter ist die Übersättigung einer Dampfsubstanz , ein Zustand, in dem die Luft oder ein anderes Gas mehr Dampf dieser Substanz enthält, als sie in einem stabilen Gleichgewicht halten kann. Ein energetisch geladenes Teilchen (zum Beispiel ein Alpha- oder Betateilchen ) interagiert mit dem Dampfgemisch und erzeugt eine Spur von Ionen , die unter Übersättigungsbedingungen als Kondensationskerne wirken, um die sich eine nebelartige Spur kleiner Tröpfchen bildet, wenn sich das Gasgemisch befindet an der Stelle der Kondensation.

Diagramm - Wolkenkammer
Eine Nebelkammer vom Diffusionstyp. Alkohol (typischerweise Isopropanol) wird durch eine Heizung in einem Kanal im oberen Teil der Kammer verdampft. Der Kühldampf strömt zur schwarzen Kühlplatte, wo er kondensiert. Aufgrund des Temperaturgradienten bildet sich über der Bodenplatte eine übersättigte Dampfschicht. In dieser Region induzieren Strahlungsteilchen Kondensation und bilden Wolkenspuren. Quelle: wikipedia.org Lizenz: CC BY-SA 4.0

Diese Tröpfchen sind als „Wolkenspur“ sichtbar , die einige Sekunden anhält, während die Tröpfchen durch den Dampf fallen. Die Kondensation des Dampfes an diesen Kernen ermöglicht die visuelle Identifizierung der Flugbahnen der Partikel, was zu einer einfachen Untersuchung ihrer Eigenschaften führt. In Wilsons ursprünglicher Kammer war die Luft in der versiegelten Vorrichtung mit Wasserdampf gesättigt, dann wurde eine Membran verwendet, um die Luft in der Kammer zu expandieren (adiabatische Expansion), die Luft zu kühlen und Wasserdampf zu kondensieren. Daher wird die Bezeichnung Expansionswolkenkammer verwendet. Das erste Antiteilchen, das Positron, das Myon und das erste seltsame Teilchen, das Kaon, wurden ebenfalls zuerst unter Verwendung einer Wolkenkammer identifiziert.

Diffusionswolkenkammer

Obwohl Diffusionswolkenkammern in der Kern- und Teilchenphysikforschung nie weit verbreitet waren, bleiben sie, da sie leicht zu bauen sind, interessante Lehrinstrumente . Eine Diffusionswolkenkammer unterscheidet sich von der Expansionswolkenkammer dadurch, dass sie kontinuierlich für Strahlung sensibilisiert ist und dass der Boden auf eine ziemlich niedrige Temperatur abgekühlt werden muss, die im Allgemeinen kälter als –26 ° C (–15 ° F) ist. Anstelle von Wasserdampf wird Alkohol wegen seines niedrigeren Gefrierpunktes verwendet. Heutzutage sind sie eine einfache Möglichkeit, Elementarteilchen und Strahlung kennenzulernen und zu visualisieren.

Ionisations- und Spurinformationen

Es muss betont werden, dass Tropfen, die in diesen Vorrichtungen Spuren bilden, auf Ionen wachsen, die durch den Durchgang ionisierender Partikel erzeugt werden. Daher muss dieser Ionisationsprozess analysiert werden. Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise . Daher ist die Kenntnis dieser Wechselwirkung, wie unterschiedliche Partikel Energie in der Materie speichern und wie viel Energie Partikel speichern, für unser Verständnis des Problems von grundlegender Bedeutung. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Alpha-TeilchenSie sind ziemlich massiv und doppelt positiv geladen, so dass sie in der Regel nur eine kurze Strecke zurücklegen und wenn überhaupt nicht sehr weit in das Gewebe eindringen. Alphateilchen lagern ihre Energie jedoch über ein kleineres Volumen ab (möglicherweise nur wenige Zellen, wenn sie in einen Körper eindringen) und richten diesen wenigen Zellen mehr Schaden an. Infolgedessen hinterlassen Alphateilchen kurze, aber signifikante Spuren in der Kammer.

Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen. Daher hinterlassen Betateilchen längere, aber weniger sichtbare Spuren in der Kammer.

Wenn ein Magnetfeld über die Wolkenkammer angelegt wird, krümmen sich positiv und negativ geladene Teilchen gemäß dem Lorentz-Kraftgesetz in entgegengesetzte Richtungen.

Experimentellen Daten zufolge ist die spezifische Ionisation dN / dx in Wolkenkammern, definiert als die mittlere Anzahl von Ionen, die pro Längeneinheit von einem vorbeiziehenden Teilchen erzeugt werden, in erster Näherung sowohl für Elektronen als auch für massereichere Teilchen durch die Bethe-Gleichung gut beschrieben .

Bremskraft – Zwischen der Formel

Eine bequeme Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppkraft . Die lineare Stoppkraft des Materials ist definiert als das Verhältnis des differentiellen Energieverlusts für das Partikel innerhalb des Materials zur entsprechenden differentiellen Weglänge :

Dabei ist T die kinetische Energie des geladenen Teilchens, nion die Anzahl der pro Pfadlängeneinheit gebildeten Elektronen-Ionen-Paare und I die durchschnittliche Energie, die zur Ionisierung eines Atoms im Medium benötigt wird. Bei geladenen Teilchen nimmt S mit abnehmender Teilchengeschwindigkeit zu . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt. Die nicht-relativistische Formel wurde 1930 von Hans Bethe gefunden. Die relativistische Version (siehe unten) wurde 1932 auch von Hans Bethe gefunden.

In diesem Ausdruck ist m die Restmasse des Elektrons, β ist gleich v / c, was die Geschwindigkeit des Teilchens relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdrückt, γ ist der Lorentz-Faktor des Teilchens, Q ist gleich seiner Ladung, Z ist der Ordnungszahl des Mediums und n ist die Atomdichte im Volumen. Für nichtrelativistische Teilchen (stark geladene Teilchen sind meist nichtrelativistisch) ist dT / dx abhängig von 1 / v 2 . Dies kann durch die größere Zeit erklärt werden, die das geladene Teilchen im negativen Feld des Elektrons verbringt, wenn die Geschwindigkeit niedrig ist.

Die Art der Wechselwirkung einer Betastrahlung mit Materie unterscheidet sich von der Alphastrahlung , obwohl Betateilchen auch geladene Teilchen sind. Beta-Partikel haben im Vergleich zu Alpha-Partikeln eine viel geringere Masse und erreichen meist relativistische Energien . Ihre Masse entspricht der Masse der Orbitalelektronen, mit denen sie interagieren, und im Gegensatz zum Alpha-Teilchen kann ein viel größerer Teil seiner kinetischen Energie in einer einzigen Wechselwirkung verloren gehen. Da die Beta-Teilchen meist relativistische Energien erreichen, kann die nichtrelativistische Bethe-Formel  nicht verwendet werden. Für hochenergetische Elektronen wurde von Bethe auch ein ähnlicher Ausdruck abgeleitetBeschreibung des spezifischen Energieverlusts durch Anregung und Ionisation (die „Kollisionsverluste“).

Modifizierte Bethe-Formel für Beta-Partikel.
Modifizierte Bethe-Formel für Beta-Partikel.

Darüber hinaus können Beta-Partikel über eine Elektron-Kern-Wechselwirkung (elastische Streuung von Kernen) interagieren , wodurch sich die Richtung der Beta-Partikel erheblich ändern kann . Daher ist ihr Weg nicht so einfach. Die Beta-Partikel folgen einem sehr Zick-Zack-Pfad durch das absorbierende Material. Dieser resultierende Partikelpfad ist länger als das lineare Eindringen (Bereich) in das Material.

Beta-Partikel unterscheiden sich von anderen stark geladenen Partikeln auch in dem Anteil an Energie, der durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess verloren geht . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Wolkenkammer und Entdeckung von Positron

Positronen sind positiv geladene (+ 1e), fast masselose Teilchen. Ihre Ruhemasse beträgt 9,109 × 10 –31 kg ( 510,998 keV / c 2 ) (ungefähr 1/1836 die des Protons ).

Positron - Entdeckung
Antielektronen wurden 1932 von Paul Dirac und Carl D. Anderson entdeckt und Positronen genannt. Sie untersuchten Kollisionen mit kosmischen Strahlen über eine Wolkenkammer – einen Partikeldetektor, in dem sich bewegende Elektronen (oder Positronen) Spuren hinterlassen, wenn sie sich durch das Gas bewegen. Quelle: wikipedia.org Lizenz: Public Domain

Wie alle Elementarteilchen weisen Elektronen Eigenschaften sowohl von Teilchen als auch von Wellen auf: Sie können mit anderen Teilchen kollidieren und wie Licht gebeugt werden. Die ursprüngliche Idee für Antiteilchen entstand aus einer relativistischen Wellengleichung, die 1928 vom englischen Wissenschaftler PAM Dirac entwickelt wurde(1902-1984). Er erkannte, dass seine relativistische Version der Schrödinger-Wellengleichung für Elektronen die Möglichkeit von Antielektronen vorhersagte. Diese wurden 1932 von Paul Dirac und Carl D. Anderson entdeckt und als Positronen bezeichnet. Sie untersuchten Kollisionen mit kosmischen Strahlen über eine Wolkenkammer – einen Partikeldetektor, in dem sich bewegende Elektronen (oder Positronen) Spuren hinterlassen, wenn sie sich durch das Gas bewegen. Positronenpfade in einer Wolkenkammer verfolgen den gleichen helikalen Pfad wie ein Elektron, drehen sich jedoch in Bezug auf die Magnetfeldrichtung in die entgegengesetzte Richtung, da sie das gleiche Verhältnis von Ladung zu Masse aufweisen, jedoch mit entgegengesetzter Ladung und daher entgegengesetzt signierte Ladungs-Masse-Verhältnisse. Obwohl Dirac selbst den Begriff Antimaterie nicht verwendete, folgt seine Verwendung natürlich genug aus Antielektronen,Antiprotonen usw.

Blasenkammer

Blasenkammern sind Partikeldetektoren, die auf einem ähnlichen Prinzip wie Wolkenkammern basieren. In der Blasenkammer zeigen sich die Spuren subatomarer Partikel als Spuren von Blasen in einer Flüssigkeit, die bis knapp unter ihren Siedepunkt erhitzt wurde, normalerweise flüssiger Wasserstoff. Blasenkammern können physikalisch größer gemacht werden als Wolkenkammern, und da sie mit viel dichterem flüssigem Material gefüllt sind, enthüllen sie die Spuren von viel energetischeren Partikeln. Ein energetisch geladenes Teilchen (zum Beispiel ein Alpha- oder Betateilchen) interagiert mit der Flüssigkeit und die Flüssigkeit tritt in eine überhitzte, metastabile Phase ein. Um die Ionisationsspur herum verdampft die Flüssigkeit und bildet mikroskopisch kleine Blasen. Die Blasendichte um eine Spur ist proportional zum Energieverlust eines Partikels.

Es muss betont werden, dass Blasen, die in diesen Vorrichtungen Spuren bilden, auf Ionen wachsen, die durch den Durchgang ionisierender Partikel erzeugt werden. Daher muss dieser Ionisationsprozess analysiert werden. Jeder Partikeltyp interagiert auf unterschiedliche Weise . Daher ist die Kenntnis dieser Interaktion, wie unterschiedliche Partikel Energie in der Materie ablagern und wie viel Energie Partikel ablagern, für unser Verständnis des Problems von grundlegender Bedeutung. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Alpha-Partikelsind ziemlich massiv und tragen eine doppelte positive Ladung, so dass sie dazu neigen, nur eine kurze Strecke zurückzulegen und nicht sehr weit in das Gewebe einzudringen, wenn überhaupt. Alpha-Partikel lagern ihre Energie jedoch über ein kleineres Volumen ab (möglicherweise nur wenige Zellen, wenn sie in einen Körper gelangen) und verursachen mehr Schaden an diesen wenigen Zellen. Infolgedessen hinterlassen Alpha-Partikel kurze, aber signifikante Spuren in der Kammer.

Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzige negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alpha-Partikel. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt ihrer Wege weniger Energie ablagern als Alpha-Partikel. Daher hinterlassen Beta-Partikel längere, aber weniger sichtbare Spuren in der Kammer.

Wenn ein Magnetfeld über die Wolkenkammer angelegt wird, krümmen sich positiv und negativ geladene Teilchen gemäß dem Lorentz-Kraftgesetz in entgegengesetzte Richtungen.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.