Alpha Beta und Gammaspuren in der Nebelkammer

Alphateilchen zeichnen in der Nebelkammer kurze, dicke und schnurgerade Striche, Betateilchen dünne, gewundene Fäden, und Gammastrahlen hinterlassen gar keine eigene Spur. Bei Gamma erscheinen nur die Elektronen, die ein Photon irgendwo aus der Materie herausschlägt. Hinzu kommt eine vierte Sorte, die in keiner Kammer fehlt: lange, sehr dünne Geraden von Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung, die auch ohne jede Quelle durchfliegen. Zum Auseinanderhalten sind deshalb nicht drei, sondern vier Muster nötig.

Hinter allen Unterschieden steht eine einzige Größe: wie viele Ionen ein Teilchen pro Zentimeter Weg erzeugt. Jedes Ion wird in der übersättigten Dampfschicht zum Keim für ein Tröpfchen, und je dichter die Keime sitzen, desto kräftiger wirkt der Strich. Ein Alphateilchen mit 5,5 Megaelektronenvolt verliert in Luft pro Ionenpaar rund 34 Elektronenvolt und erzeugt damit etwa 160000 Ionenpaare auf einer Strecke von etwa vier Zentimetern, im Mittel also 40000 pro Zentimeter. Ein schnelles Elektron schafft nur etwa 80, ungefähr ein Fünfhundertstel davon. Wo die Ionen dicht liegen, entsteht ein weißer Balken, wo sie weit auseinander sitzen, ein zarter Faden, der bei kleinen Luftbewegungen zerfasert. Wie eine Kammer dafür aufgebaut wird, zeigt der Beitrag über die Nebelkammer mit Peltierelement ohne Trockeneis.

Alphaspuren sind kurz, dick und enden abrupt

Ein Alphateilchen ist ein Heliumkern und wiegt gut 7000 Mal so viel wie ein Elektron. Auf seinem Weg durch die Luft stößt es unzählige Hüllenelektronen beiseite, ohne selbst nennenswert abgelenkt zu werden, und deshalb verläuft die Spur fast schnurgerade. Die Länge hängt allein von der Energie ab: Radon 222, das aus dem Boden in jede Raumluft gelangt, schickt Teilchen mit 5,5 Megaelektronenvolt los, die rund vier Zentimeter weit kommen. Im Zerfallsstrom der Thoriumreihe, die ein Glühstrumpf aus dem Campingbedarf mitbringt, treten Energien bis 8,8 Megaelektronenvolt auf, und die längsten Striche erreichen dann beinahe neun Zentimeter.

Mit einem Glühstrumpf in der Nähe steigt die Zahl der Striche spürbar, und jeder bleibt nur etwa eine Sekunde stehen, bevor die Tröpfchen absinken. Gegen Ende nimmt die Dichte der Ionen zu, weil das langsamer werdende Teilchen mehr Zeit für jede Begegnung mit Elektronen hat. Die Spur wird dort kräftiger und bricht dann plötzlich ab, ohne auszudünnen. Meist läuft sie von einem festen Punkt aus, dem Präparat, und mehrere Striche gehen wie ein Fächer auseinander. Entstehen die Teilchen in der Kammerluft selbst, etwa beim Zerfall von Radon, beginnt ein Strich mitten im Raum und hat kein Vorspiel an der Platte oder Wand.

Betaspuren winden sich und verblassen

Elektronen sind leicht, und jede Begegnung mit Atomkernen und Hüllenelektronen lenkt sie ab. Der Weg einer Betaspur wirkt deshalb wie ein Faden, der sich beim Fall verknäuelt hat: mal gestreckt, mal mit scharfen Knicken, am Ende häufig zu einer kleinen Schleife eingerollt. Weil die Ionen so weit auseinander liegen, bleibt die Spur dünn und flüchtig. Elektronen mit 100 Kiloelektronenvolt bringen es in Luft auf gut zehn Zentimeter, solche mit einem Megaelektronenvolt auf etwa drei Meter und verlassen eine Kammer von 20 Zentimetern Kantenlänge daher, bevor sie anhalten.

In der Praxis stammen Betateilchen aus Kalium 40, das in kaliumreichem Salzersatz steckt und mit bis zu 1,3 Megaelektronenvolt zerfällt, sowie aus den Töchtern der Thoriumreihe im Glühstrumpf. Schwache Betaspuren lassen sich auf den ersten Blick mit Myonen verwechseln, doch die Betafäden sind kürzer, wirken ungleichmäßig und haben keine feste Richtung. Bei geringer Schichtdicke zerfällt ein Faden mitunter in eine Perlenkette aus einzelnen Tröpfchenhäufchen, weil nur wenige Ionen entstehen und jedes für sich als Punkt aufleuchtet. Zeigt ein dünner Faden mehrere Knicke, ist es ein Elektron, einerlei woher es kommt. In der Nähe des Randes verlieren die Spuren ihre Form, weil Luftströme den Dampf verwirbeln und die Tröpfchen verschieben.

Gammastrahlen und Myonen zeichnen ihre eigenen Muster

Ein Photon von einem Megaelektronenvolt durchquert in Luft im Mittel etwa 130 Meter, bevor es mit einem Atom reagiert. Auf 20 Zentimetern Kammerbreite beträgt die Wahrscheinlichkeit dafür gerade 0,15 Prozent. Der größere Teil der Elektronen, die als Gammaspuren erscheinen, entsteht deshalb in der geschwärzten Metallplatte oder in der Kammerwand und fliegt von dort kurz in die empfindliche Schicht. Die Folge sind gewundene Stummel von wenigen Millimetern bis Zentimetern, die mit der Quelle keine Linie bilden, sondern in beliebige Richtungen weisen. Wird ein Präparat mit Gammastrahlern näher an die Kammer gebracht, steigt die Zahl dieser Stummel an, obwohl keine einzige Spur das Präparat selbst als Ausgangspunkt hat. Dieses Fehlen einer Richtung unterscheidet sie von Alpha.

Myonen sehen völlig anders aus. Pro Quadratzentimeter und Minute fliegt etwa eines durch die waagerechte Fläche, in einer Kammer von 20 mal 20 Zentimetern rechnerisch rund 400 Teilchen pro Minute. Zu erkennen sind davon nur wenige, weil die empfindliche Schicht nur ein bis zwei Zentimeter dick ist und die Tröpfchen rasch absinken. Die Striche sind dünn, lang, genau gerade und meist steil von oben nach unten gerichtet, denn die meisten Myonen kommen fast senkrecht herunter.

Woran sich jede Spur im Zweifel erkennen lässt

Eine einzelne Spur lässt sich nicht immer eindeutig zuordnen, aber vier Merkmale grenzen die Auswahl meist auf eine Teilchenart ein. Wichtig ist, zuerst die Länge zu schätzen, dann die Dicke, danach den Verlauf und zuletzt den Ursprung. Die Reihenfolge ist Absicht, denn die Länge lässt sich am schnellsten schätzen und schließt die meisten Fälle aus, noch bevor Dicke oder Verlauf geprüft werden. Bei zwei gleichwertigen Kandidaten entscheidet die Dicke, denn sie hängt kaum von Luftströmen ab. Kleine Unschärfen sind normal, denn die Schärfe einer Spur hängt von der Temperatur der Platte und der Dicke der empfindlichen Schicht ab.

• Kürzer als zehn Zentimeter, weiß und dick, gerade und am Ende abrupt: ein Alphateilchen.
• Dünn, ungleichmäßig, mit Knicken oder Schleife: ein Elektron, also Beta oder ein Gammaelektron.
• Kurzer Stummel, der am Rand der Schicht beginnt, ohne Linie zum Präparat: Elektron, das ein Photon ausgelöst hat.
• Dünn, sehr lang, absolut gerade und steil: ein Myon aus der Höhenstrahlung.
• Beginnt der Strich frei im Raum: ein Zerfall in der Kammerluft, meist von Radon.

Einzelne Spuren sagen wenig, die Zählung dagegen viel. Wird eine Probe gewechselt und dabei die Zahl der Spuren je Minute notiert, zeigt sich schnell, ob die Rate bei Alpha, Beta oder den dünnen Fäden steigt. Ohne Präparat bleibt eine Grundrate aus Myonen und Radon bestehen, und sie dient als Vergleichswert: Alles darüber geht auf die Probe zurück. Fahnen, die langsam aufsteigen oder sich verbiegen, sind dagegen keine Teilchenspuren, sondern Dampf in Bewegung. Echte Spuren stehen scharf gezeichnet im Raum und lösen sich binnen einer Sekunde in Tropfen auf.