Chemikalien:
Americium-Isotop 241Am
2-Propanol
ACHTUNG! 241Am ist ein starker α- und schwacher γ-Strahler. Vorsichtsmaßnahmen im Umgang mit radioaktiven Materialien unbedingt beachten. Radioaktive Strahlung kann bei Absorption im menschlichen Körper Strahlenschäden bewirken. Besonders gefährlich ist die Aufnahme radioaktiver Substanzen mit der Nahrung oder mit der Atemluft, bei anschließendem Einbau der Radionuklide in den Körper. Hierdurch erfährt der Körper eine Dauerstrahlenbelastung, die während der ganzen Lebensdauer des Radionuklids anhält bzw. bis dieses nach einiger Zeit biologisch ausgeschieden wird.
Materialien zum Bau der Nebelkammer:
- Ionisationsrauchmelder
- ABS-Kunststoffplatte, 15 x 15 cm, 2 mm dick
- 4 Holzklötzchen, 3 x 3 x 3 cm
- Marmeladenglas mit schraubbarem Metalldeckel
- Glas- oder Kunststoffspritze, 100 ml oder mehr
- 20 cm Siliconschlauch
- Messingröhrchen, Ø 3 mm, 2 cm lang
- Scheibe Ø 4 cm aus Weißblech
- Schwarzer Filz, 4 x 4 cm
- Schraube M3 x 50 mit Senkkopf
- Schraube M3 x 20
- 6 Muttern M3
- 20 cm verzinkter Draht, Ø 1 mm
- etwas Schrumpfschlauch, um den verzinkten Draht zu isolieren
- Webkamera
- entsprechendes Stativ für die Webkamera
- LED-Taschenlampe
- 2-Komponenten-Epoxidklebstoff
- Sekundenkleber
Materialien zum Bau der Hochspannungsquelle:
- Lötzinn
- Lochrasterplatine, 5 x 10 cm
Halbleiter:
- 1 Timer-IC NE 555 (U0)
- 1 N-Kanal-MOSFET BUZ71 (T1)
- 7 Dioden 1N4007 (D1-D7)
Kondensatoren:
- 1 Keramikkondensator 100 nF (C1)
- 1 Keramikkondensator 10 nF (C2)
- 7 Keramikkondensatoren 100 nF/1 kV (C3-C9)
- 1 Elko 10 μF/16 V (C10)
Widerstände:
- 1 Widerstand 12 kΩ/0,25 W (R1)
- 1 Widerstand 4,7 kΩ/0,25 W (R2)
Sonstiges:
- 1 Kleintrafo 230 V/6 V/1 VA (Tr1)
- 1 m Litze
Benötigtes Werkzeug und Geräte:
- Lötkolben mit entsprechendem Zubehör
- Akku-Bohrschrauber mit Bohrern Ø 3 und 10 mm
- Isolierter Schraubendreher
- Flachzange
- Schere
- Multimeter
- Labor-Netzteil
Vorbereitung:
Der Ionisationsrauchmelder wird vorsichtig zerlegt. Das Americium-Isotop 241Am befindet sich in der Ionisationskammer des Rauchmelders, aufgebracht auf einer kleinen Metallscheibe (siehe Abb. 1). Diese Metallscheibe wird vom Ionisationskammer-Korpus getrennt. Die Metallscheibe mit dem aufgedampften 241Am sollte nur mittels einer Zange angefasst werden. Man gibt die Metallscheibe zunächst in ein Glas und verschließt dieses. Das schirmt zumindest die α-Strahlung sicher ab.
Abb. 1
Bau der Nebelkammer:
Die 4 Holzklötzchen werden an den Ecken der ABS-Kunststoffplatte mittels Sekundenkleber fixiert. Bei der Auswahl des Marmeladenglases sollte man darauf achten, dass der Boden möglichst flach, ohne Lufteinschlüsse und Einprägungen ist. Der Metalldeckel muss luftdicht sein. In den Metalldeckel werden nun drei Löcher gebohrt. Links versetzt ein Loch mit Ø 3 mm zur Aufnahme des Messingröhrchens, zentriert und rechts versetzt jeweils ein Loch mit Ø 10 mm zur Durchführung der Elektroden bzw. Schrauben. Der Deckel wird dann mittig mittels 2-Komponenten-Epoxidklebstoff luftdicht auf die ABS-Kunststoffplatte geklebt. Während der Epoxidklebstoff aushärtet bereitet man die Scheibe aus Weißblech vor. In die Mitte der Scheibe wird ein Ø 3 mm-Loch gebohrt. Das 241Am wird nun aus dem Behälter genommen und die kleine Metallscheibe rechtwinklig auf den Rand der Weißblechscheibe gelötet, so dass die Strahlungsquelle zum Weißblechscheibenmittelpunkt zeigt (siehe Abb. 2 und Abb. 3). Anschließend wird auf die Weißblechscheibe schwarzer Filz geklebt und die Ränder sauber abgeschnitten. Durch die Bohrung in der Weißblechscheibe wird die Schraube M3 x 50 mit Senkkopf geführt und mit einer Mutter fixiert. Wenn der 2-Komponenten-Epoxidklebstoff ausgehärtet ist, bohrt man in die ABS-Kunststoffplatte jeweils ein Ø 3 mm-Loch, zentriert zu den Bohrungen, die sich bereits im Metalldeckel befinden. Als nächstes wird die Kathode vorbereitet. Der verzinkte Draht wird dazu zu einer Schlaufe mit dem selben Durchmesser wie die Weißblechscheibe gebogen, abgewinkelt und ein Stückchen Schrumpfschlauch über den Draht geschoben, der verhindern soll, dass es versehentlich zum Kurzschluß kommt, wenn sich Weißblechscheibe und Draht berühren. Am anderen Ende des Drahtes wird eine weitere Schlaufe mit einem Durchmesser von 3 mm zur Aufnahme der Schraube M3 x 20 gebogen. Der Abstand zwischen der Drahtschlaufe und der Weißblechscheibe sollte etwa 3 cm betragen. Das Messingröhrchen wird mit 2-Komponenten-Epoxidklebstoff nach Abb. 2 luftdicht fixiert, ebenso die Schrauben zur Befestigung der Weißblechscheibe und Drahtschlaufe. Es ist wieder darauf zu achten, dass die Schrauben bzw. Muttern nicht den Rand der 10 mm-Bohrung im Metalldeckel berühren, da sonst Anode und Kathode kurzgeschlossen würden.
Abb. 2
Abb. 3
Bau der Hochspannungsquelle:
Die Schaltung wird nach Schaltplan (Abb. 4) aufgebaut. Das Timer-IC 555 bildet mit den Bauteilen C1, R1 und R2, die für die Frequenz verantwortlich sind, einen Rechteckgenerator. Ausgang 3 des ICs triggert den MOSFET, der die 6 V-Wickelung des "verkehrtherum" betriebenen Trafos gegen Masse zieht. Dadurch werden in der 230 V-Wicklung Spannungsspitzen von ewa 80 V induziert, die über die angeschlossene Villard-Kaskade dann aufaddiert werden.
Die Betriebsspannung beträgt 5 V. Dies kann über ein Labornetzteil geschehen, alternativ durch eine 4,5 V Taschenlampenbatterie. Die aufgebaute Schaltung wird mittels Multimeter getestet. Die Ausgangsspannung sollte etwa 1000 V betragen. Es ist darauf zu achten, dass man am Multimeter den richtigen Spannungsbereich wählt und das Multimeter für den Spannungsbereich ausgelegt ist.
Nach dem Testen wird der die Hochspannungsquelle über zwei Litzen mit dem Anoden- und Kathodenanschluß (M3-Schrauben) der Nebelkammer verbunden.
Es ist tunlichst zu vermeiden, die Platine und insbesondere den Hochspannungsausgang zu berühren, auch dann nicht, wenn die Betriebsspannung abgeschaltet wurde, da die Kondensatoren immer noch aufgeladen sind. Vorsichtshalber sollte nach Abschalten der Betriebsspannung immer der Hochspannungsausgang mit einem isoliertem Schraubendreher kurzgeschlossen werden.
Abb. 4
Betrieb der Nebelkammer:
Einige Tropfen 2-Propanol werden auf den Filz gegeben, das Marmeladenglas dann über die Anordnung gestülpt und mit dem Metalldeckel luftdicht verschraubt. Die LED-Taschenlampe wird 90 Grad versetzt zur Strahlungsquelle auf gleicher Höhe angeordnet. Beobachtet wird mittels Webkamera, die über ein Stativ auf den Boden des Glases gerichtet ist. Das gespeicherte Filmmaterial kann später ausgewertet werden. Es bietet sich hier Windows Movie Maker mit der Zeitlupenfunktion oder andere Videobearbeitungssoftware an. Ebenfalls nützlich ist ein video-to-jpg-converter, um das Videomaterial in Einzelbilder zu konvertieren, die dann mit entsprechender Bild-Software (Schärfe, Helligkeit, Kontrast) weiter bearbeitet werden können.
Am besten erzeugt man mittels der über den Siliconschlauch mit der Nebelkammer verbundenen Spritze keinen Unterdruck, sondern zuerst einmal einen Überdruck in der Kammer. Dann knickt man den Schlauch ab, zieht die Spritze vom Schlauch und lässt den Überdruck schlagartig entweichen. Kurz vor der Expansion schaltet man die Hochspannung ab. Man braucht etwas Übung und Geduld, bis die ersten Spuren, verursacht durch die ionisierende α-Strahlung sichtbar werden. Die einzelnen fächerförmigen Strahlengänge sind auch nur für den Bruchteil einer Sekunde klar sichtbar, bis sie durch die rasche Expansion verursachten Luftwirbel verwischen.
Abb. 5 zeigt den kompletten Versuchsaufbau, Abb. 6 zeigt eine Einzelaufnahme der α-Partikel-Spuren.
Video der Nebelkammer wie beschrieben im Betrieb:
Video einer verbesserten Nebelkammer, die einen roten 1 mW Linienlaser als Lichtquelle verwendet:
Abb. 5
Abb. 6
Entsorgung:
241Am verbleibt in der Nebelkammer. Diese wird mit übergestülptem Glas an einem sicheren Ort verwahrt und mit einem entsprechenden Warnhinweis zur Radioaktivitat und Art der Strahlungsquelle versehen. Evtl. in der Nebelkammer zurückgebliebenes 2-Propanol lässt man verdampfen.
Erklärung:
Die Nebelkammer ist mit einem übersättigten Luft-2-Propanol-Gemisch gefüllt. Die entlang der Bahn der ionisierenden α-Teilchen entstandenen Ionen verursachen eine Kondensation des 2-Propanol-Dampfes und somit eine sichtbare Spur von Tröpfchen entlang der Bahn. Die Kammer muss dazu staubfrei bzw. frei von Störionen sein, was über die angelegte Hochspannung erreicht wird. Die Störionen werden dadurch "abgesaugt".
Die notwendige Übersättigung wird durch adiabatische Expansion der mit Isopropanol gesättigten Luft in der Kammer erreicht. Durch den übersättigten Dampf bedarf es nur sehr kleine Kondensationskeime, um eine Nebelspur zu erzeugen. Da die Luft sehr schnell abkühlt, ist die Expansionsnebelkammer nur etwa 100 ms lang fähig, Nebelspuren zu erzeugen.
Charles Thomson Rees Wilson erhielt für die Entwicklung der nach ihm benannten Wilsonschen Nebelkammer zum Nachweis radioaktiver Strahlen und anderer geladener Elementarteilchen 1927 den Nobelpreis für Physik. Heutzutage kann man seine Experimente beinahe mit Haushaltsgegenständen wiederholen.
Evtl. kann man, um einen Ausblick auf weitere Experimente zu geben, ein Stückchen Blattgold in die Nebelkammer einbringen und versuchen die Rutherford-Streuung zu beobachten. Ebenso kann man einen Magneten einbringen und durch entsprechende Ablenkung der α-Partikel deren positive Ladung nachweisen.
