Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung

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1 Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung Gerhard Gojakovich Institut für Astrophysik Universität Wien 16. November 2012

2 Inhaltsverzeichnis Die Ionisation der Luft Bekannte Effekte Verwendete Geräte Erste Beobachtungen Viktor Hess und seine Beobachtungen Viktor Hess Beobachtungen und Experimente 1911 Beobachtungen und Experimente 1912 Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung Weiteres Wirken Weitere Forschung zur kosmischen Strahlung Neue Messgeräte Neue Teilchen Quelle

3 Ladungsverlust Coulomb zeigte 1785, dass gegen den Boden isolierte metallische Leiter Ladung verlieren F. Linss entdeckte 1887 regelmäßige Schwankungen in der Entladungsrate, sowie deren negative Korrelation mit der Luftfeuchtigkeit Aus Erforschung der Radioaktivität wurde die Ionisation der Luft als Quelle des Ladungsverlustes erkannt Als Strahlungsquelle wurde radioaktiver Zerfall in der Erde vermutet

4 Die Ionisationskammer und der Wulf sche Strahlenapparat Ionisationskammern bestehen meist aus einem zylinderförmigen Gehäuse mit zwei Elektroden Ströme um A U = Q C Theodor Wulf entwickelte Zweifadenelektrometer Die Integration des Elektrometers in eine Ionisationskammer erzeugte ein kompaktes Gerät mit geringer Kapazität

5 Erste Beobachtungen Theodor Wulf Wulf versuchte den Ursprung der für die Ionisation verantwortlichen Strahlung zu finden Seine Beobachtungen auf dem Eiffelturm stellten die erwartete Abnahme der Strahlung nicht fest Stellte Hypothese auf, dass Weltall der Ursprung ionisierender Strahlung sei und schlug Messungen mit Drachen oder Ballons vor Albert Gockel Gockel führte erste Messungen an Bord eines Ballons durch Er verwendete zwei Wulf sche Strahlungsapparate, einer davon luftdicht Messungen ließen auf ein Gleichbleiben oder einen geringen Anstieg der Ionisation mit der Höhe schließen

6 Viktor Hess Viktor Franz Hess Geboren am 24. Juni 1883 in Schloss Waldstein bei Peggau, Steiermark Gestorben am 17. Dezember 1964 in Mt. Vernon, New York Leben und Wirken 1901 bis 1905 Physikstudium in Graz Ab 1907 in Wien Bis 1920 Assistent am 1910 gegründeten Radiuminstitut 1920 Rückkehr nach Graz, Aufenthalte in den USA Ab 1931 in Innsbruck tätig 1936 Nobelpreis für Physik gemeinsam mit Carl David Anderson 1938 Zwangsruhestand gefolgt von Flucht in die Schweiz Später Umzug in die USA, wo er 1944 die Staatsbürgerschaft erhielt Hess ging 1956 in den Ruhestand

7 Forschung 1911 Fragen 1. Gibt es einen unbekannten Ionisator in der Atmosphäre? 2. Sind bisherige Berechnungen über die Absorption von Gamma Strahlung in der Atmosphäre korrekt? Untersuchung der Absorption 5 Experimente mit Messungen in Entfernungen von 10 bis 90 Metern von einer Radiumchlorid Quelle Hess erreichte Ergebnisse innerhalb von 2% des erwarteten Wertes I i r 2 i = I 0 r 2 0 e λ(r i r 0)

8 Erste Fahrten Erste Fahrt 28. August 1911 Strahlungsabfall bei 400m als Messfehler angesehen, Strahlung schien mit der Höhe leicht zuzunehmen Zweite Fahrt Nacht von 12. zu 13. Oktober Strahlung bei 400m ungefähr gleich wie bei Tag, keine weiteren Beobachtungen aufgrund schlechten Wetters [J] = [Ionen s 1 cm 3 ]

9 Forschung 1912 Forschungsprogramm 1. Messungen mit dünnwandigem Gerät um Einfluss der β Strahlen zu bestimmen 2. Messungen in Höhen bis 7000m 3. Dauerfahrt um gefundene Schwankungen in der Ionisationsrate zu bestätigen und Vergleich mit den am Boden beobachteten Schwankungen 4. Bestimmung des Emanationsgehalts der Atmosphäre in großer Höhe Verwendete Messgeräte

10 Fahrten Beobachtungen während Sonnenfinsternis Bei 53% Bedeckung keine Abnahme der Ionisation erkennbar 2. Nachtfahrt bei der die Abnahme der Ionisation in geringer Höhe bestätigt wurde Wert der gesamten von der Erde beigetragenen Strahlung auf 3 J geschätzt 3. Erstmals Protokolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit während der Messungen erstellt Bestätigung der Ergebnisse der 2. Fahrt 4. Sollte Hochfahrt werden, Hess wurde jedoch von einer Gewitterfront zur Landung gezwungen 5. Erste Alleinfahrt von Hess Wegen Schlechtwetter keine neuen Erkenntnisse 6. Wieder Messungen in geringer Höhe

11 Fahrten 1912 Entdeckung der Kosmischen Strahlung Hess startete am 7. August 1912 von Aussig an der Elbe, da dort bessere Technik zur Verfügung stand Er erreichte eine Maximalhöhe von 5250 Metern, musste die Fahrt jedoch wegen Höhenkrankheit vorzeitig abbrechen Die Messungen zeigen eine deutliche Zunahme der Ionisation in großer Höhe Gesammelte Daten

12 Weiteres Wirken In den nächsten 20 Jahren wurde die kosmische Strahlung weiter untersucht, jedoch blieben Zweifel an ihrem Ursprung. Besonders durch Robert Millikan wurde Hess stark kritisiert errichtete Hess am Hafelekar (2300 m) ein Observatorium, ihm selbst gelange es jedoch nicht Erkenntnisse über die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung zu erlangen.

13 Neue Messgeräte Wilson sche Nebelkammer Charles Wilson entwickelte sie 1895 um das Verhalten von Wassertropfen zu untersuchen Die Kammer ist mit Gas und Wasserdampf gefüllt Die von kosmischer Strahlung bewirkte Ionisation führte zu beobachtbarer Kondensation Wilson konnte damit 1911 α und β Strahlung sichtbar machen Photographische Platten Durch Erhöhung der Silberbromidkonzentration von 40% auf 80% und unter Verwendung einer dickeren Schicht konnten die Spuren von Strahlungsteilchen sichtbar gemacht werden

14 Neue Teilchen Das Positron Carl David Anderson entdeckte mit einer Wilson schen Nebelkammer, dass die Sekundärstrahlung zu gleichen Teilen aus positiv und negativ geladenen Teilchen besteht Da diese in einem Magnetfeld Bahnen mit gleich starker Krümmung beschrieben musste es sich bei dem positiv geladenen Teilchen um das von Dirac vorhergesagte Positron handeln Patrick Blackett und Giuseppe Ochialini wiesen nach, dass die Positronen nicht Teil der kosmischen Strahlung sind, sondern von ihr erzeugt werden Das Myon Bei weiteren Experimenten entdeckte Anderson Teilchen die sich wie schwere Elektronen verhalten Sie wurden fälschlicherweise als Pionen, die von Hideki Yukawa postulierten Vermittler der Starken Wechselwirkung, identifiziert

15 Neue Teilchen Kosmische Sterne Hierbei handelt es sich um Bilder der Bahnen von durch Kosmischer Strahlung zertrümmerten Atomen Sie wurden von Marietta Blau und Herta Wimbacher 1937 mit eigens entwickelten Photoplatten entdeckt Das Pion Cecil Powell verwendete Photoplatten um in den Pyrenäen kosmische Strahlung zu beobachten Unter den Spuren entdeckte er 1947 das Pion

16 Quelle Viktor Hess und die Entdeckung der Kosmischen Strahlung Georg Federmann