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Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung

Gerhard Gojakovich

Institut für AstrophysikUniversität Wien

16. November 2012

Inhaltsverzeichnis

Die Ionisation der LuftBekannte EffekteVerwendete GeräteErste Beobachtungen

Viktor Hess und seine BeobachtungenViktor HessBeobachtungen und Experimente 1911Beobachtungen und Experimente 1912

Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung

Weiteres Wirken

Weitere Forschung zur kosmischen StrahlungNeue MessgeräteNeue Teilchen

Quelle

Ladungsverlust

I Coulomb zeigte 1785, dass gegen den Bodenisolierte metallische Leiter Ladung verlieren

I F. Linss entdeckte 1887 regelmäßigeSchwankungen in der Entladungsrate, sowiederen negative Korrelation mit derLuftfeuchtigkeit

I Aus Erforschung der Radioaktivität wurde dieIonisation der Luft als Quelle desLadungsverlustes erkannt

I Als Strahlungsquelle wurde radioaktiver Zerfallin der Erde vermutet

Die Ionisationskammer und der Wulf’sche Strahlenapparat

I Ionisationskammern bestehen meist aus einemzylinderförmigen Gehäuse mit zwei Elektroden

I Ströme um 10−12A

∆U = ∆QC

I Theodor Wulf entwickelteZweifadenelektrometer

I Die Integration des Elektrometers in eineIonisationskammer erzeugte ein kompaktesGerät mit geringer Kapazität

Erste Beobachtungen

Theodor Wulf

I Wulf versuchte den Ursprung der für die Ionisation verantwortlichenStrahlung zu findenSeine Beobachtungen auf dem Eiffelturm stellten die erwarteteAbnahme der Strahlung nicht fest

I Stellte Hypothese auf, dass Weltall der Ursprung ionisierenderStrahlung sei und schlug Messungen mit Drachen oder Ballons vor

Albert Gockel

I Gockel führte erste Messungen an Bord eines Ballons durch

I Er verwendete zwei Wulf’sche Strahlungsapparate, einer davonluftdicht

I Messungen ließen auf ein Gleichbleiben oder einen geringen Anstiegder Ionisation mit der Höhe schließen

Viktor Hess

Viktor Franz Hess

I Geboren am 24. Juni 1883 in Schloss Waldstein beiPeggau, Steiermark

I Gestorben am 17. Dezember 1964 in Mt. Vernon,New York

Leben und Wirken

I 1901 bis 1905 Physikstudium in Graz

I Ab 1907 in Wien

I Bis 1920 Assistent am 1910 gegründeten Radiuminstitut

I 1920 Rückkehr nach Graz, Aufenthalte in den USA

I Ab 1931 in Innsbruck tätig

I 1936 Nobelpreis für Physik gemeinsam mit Carl David Anderson

I 1938 Zwangsruhestand gefolgt von Flucht in die Schweiz

I Später Umzug in die USA, wo er 1944 die Staatsbürgerschaft erhielt

I Hess ging 1956 in den Ruhestand

Forschung 1911

Fragen

1. Gibt es einen unbekannten Ionisator in der Atmosphäre?

2. Sind bisherige Berechnungen über die Absorption von GammaStrahlung in der Atmosphäre korrekt?

Untersuchung der Absorption

I 5 Experimente mit Messungen inEntfernungen von 10 bis 90 Meternvon einer Radiumchlorid Quelle

I Hess erreichte Ergebnisse innerhalb von2% des erwarteten Wertes

Ii r2i = I0r

20 · e−λ(ri−r0)

Erste Fahrten

Erste Fahrt

I 28. August 1911

I Strahlungsabfall bei 400m alsMessfehler angesehen,Strahlung schien mit der Höheleicht zuzunehmen

Zweite Fahrt

I Nacht von 12. zu 13. Oktober

I Strahlung bei 400m ungefährgleich wie bei Tag, keineweiteren Beobachtungenaufgrund schlechten Wetters

[J] = [Ionen · s−1 · cm−3]

Forschung 1912

Forschungsprogramm

1. Messungen mit dünnwandigem Gerät um Einfluss der β Strahlen zubestimmen

2. Messungen in Höhen bis 7000m

3. Dauerfahrt um gefundene Schwankungen in der Ionisationsrate zubestätigen und Vergleich mit den am Boden beobachtetenSchwankungen

4. Bestimmung des Emanationsgehalts der Atmosphäre in großer Höhe

Verwendete Messgeräte

Fahrten 1912

1. Beobachtungen während SonnenfinsternisBei 53% Bedeckung keine Abnahme der Ionisation erkennbar

2. Nachtfahrt bei der die Abnahme der Ionisation in geringer Höhebestätigt wurdeWert der gesamten von der Erde beigetragenen Strahlung auf 3 Jgeschätzt

3. Erstmals Protokolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit währendder Messungen erstelltBestätigung der Ergebnisse der 2. Fahrt

4. Sollte Hochfahrt werden, Hess wurde jedoch von einer Gewitterfrontzur Landung gezwungen

5. Erste Alleinfahrt von HessWegen Schlechtwetter keine neuen Erkenntnisse

6. Wieder Messungen in geringer Höhe

Fahrten 1912

Entdeckung der Kosmischen Strahlung

I Hess startete am 7. August 1912 von Aussig an der Elbe, da dortbessere Technik zur Verfügung stand

I Er erreichte eine Maximalhöhe von 5250 Metern, musste die Fahrtjedoch wegen Höhenkrankheit vorzeitig abbrechen

I Die Messungen zeigen eine deutliche Zunahme der Ionisation ingroßer Höhe

Gesammelte Daten

Weiteres Wirken

In den nächsten 20 Jahren wurde die kosmische Strahlung weiteruntersucht, jedoch blieben Zweifel an ihrem Ursprung. Besonders durchRobert Millikan wurde Hess stark kritisiert. 1931 errichtete Hess amHafelekar (2300 m) ein Observatorium, ihm selbst gelange es jedochnicht Erkenntnisse über die Zusammensetzung der kosmischen Strahlungzu erlangen.

Neue Messgeräte

Wilson’sche Nebelkammer

I Charles Wilson entwickelte sie 1895 umdas Verhalten von Wassertropfen zuuntersuchen

I Die Kammer ist mit Gas und Wasserdampfgefüllt

I Die von kosmischer Strahlung bewirkteIonisation führte zu beobachtbarerKondensation

I Wilson konnte damit 1911 α und βStrahlung sichtbar machen

Photographische Platten

I Durch Erhöhung der Silberbromidkonzentration von 40% auf 80%und unter Verwendung einer dickeren Schicht konnten die Spurenvon Strahlungsteilchen sichtbar gemacht werden

Neue Teilchen

Das Positron

I Carl David Anderson entdeckte mit einer Wilson’schenNebelkammer, dass die Sekundärstrahlung zu gleichen Teilen auspositiv und negativ geladenen Teilchen besteht

I Da diese in einem Magnetfeld Bahnen mit gleich starker Krümmungbeschrieben musste es sich bei dem positiv geladenen Teilchen umdas von Dirac vorhergesagte Positron handeln

I Patrick Blackett und Giuseppe Ochialini wiesen nach, dass diePositronen nicht Teil der kosmischen Strahlung sind, sondern von ihrerzeugt werden

Das Myon

I Bei weiteren Experimenten entdeckte Anderson Teilchen die sich wieschwere Elektronen verhalten

I Sie wurden fälschlicherweise als Pionen, die von Hideki Yukawapostulierten Vermittler der Starken Wechselwirkung, identifiziert

Neue Teilchen

Kosmische Sterne

I Hierbei handelt es sich um Bilder der Bahnen von durch KosmischerStrahlung zertrümmerten Atomen

I Sie wurden von Marietta Blau und Herta Wimbacher 1937 miteigens entwickelten Photoplatten entdeckt

Das Pion

I Cecil Powell verwendete Photoplatten um in den Pyrenäenkosmische Strahlung zu beobachten

I Unter den Spuren entdeckte er 1947 das Pion

Quelle”Viktor Hess und die Entdeckung der Kosmischen Strahlung”GeorgFedermann

Die Ionisation der LuftBekannte EffekteVerwendete GeräteErste Beobachtungen

Viktor Hess und seine BeobachtungenViktor HessBeobachtungen und Experimente 1911Beobachtungen und Experimente 1912Weiteres Wirken

Weitere Forschung zur kosmischen StrahlungNeue MessgeräteNeue Teilchen

Quelle