Panorama

Teilchen im Nebel

14.02.2019 - Vor 150 Jahren wurde Charles Wilson, der Erfinder der Nebelkammer, geboren.

Die Geschichte der Nebelkammer begann 1894 auf dem Ben Nevis, dem höchsten Berg Schottlands. An das dortige Observatorium hatten den jungen Physikers Charles Wilson seine meteorologischen Interessen geführt. „Die wunderbaren optischen Phänomene, die sich zeigten, wenn die Sonne die umliegenden Berge beschien, besonders die farbigen Ringe um die Sonne (Coronas) oder um die Schatten, die Berge oder Beobachter auf den Nebel warfen (Glorien) weckten mein lebhaftes Interesse und den Wunsch, diese im Labor nachzuahmen“, eröffnet Wilson 1927 seinen Nobelvortrag.

Charles Thomson Rees Wilson, von seinen Freunden CRT genannt, kehrte kurz darauf in das Cavendish Laboratorium nach Cambridge zurück, wo er zwei Jahre zuvor seinen Abschluss in Physik und Chemie gemacht hatte. Der Sohn eines kinderreichen schottischen Bauern, geboren am 14. Februar 1869 nahe Edinburgh, hatte nur dank der Unterstützung seines älteren Bruders studieren können. Seit Abschluss seines Studiums verdiente er seinen Lebensunterhalt am Cavendish Labor unter der Leitung von Joseph John Thomson, indem er die Experimente in den Vorlesungen vorführte und Studenten betreute. Nebenbei blieb ihm etwas Zeit für die Forschung.

So begann Wilson Anfang 1895 mit seinen Versuchen zu Wolken, indem er mit Wasserdampf gesättigte Luft in einem flaschenartigen Gefäß expandierte. Bald stieß er jedoch auf ein Phänomen, das ihn noch mehr fesselte als die optischen Erscheinungen:  Auch in völlig staubfreier Luft bildeten sich Tröpfchen, sobald die Übersättigung und Expansion einen bestimmten Grenzwert überschritten hatte.

Was noch erstaunlicher war: Dieser Vorgang ließ sich in demselben gesättigten Wasserdampf beliebig oft wiederholen. Woraus Wilson schloss, dass die Kondensationskeime in der Luft immer wieder neu entstanden. Schon zu dieser Zeit vermutete er, dass es sich um Ionen handeln könnte. Als er dann im November 1895 von der Aufsehen erregenden Entdeckung der Röntgenstrahlung erfuhr, lag es nahe, diese auf die Vorläuferversion seiner Nebelkammer zu richten. Das geschah Anfang 1896, als  J. J. Thomson die Ionisation der Luft mit Röntgenstrahlen untersuchen wollte und dafür einen einfachen Röntgenapparat bauen ließ.

„Ich erinnere mich noch an mein Entzücken, als ich beim ersten Versuch feststellte, dass sich keine Tropfen bildeten, wenn die Expansion unterhalb von 1,25 lag, jenseits davon aber ein Nebel entstand, der viele Minuten brauchte, um sich zu legen […] Folglich erzeugten Röntgenstrahlen große Mengen jener Kondensationskeime, die in kleiner Zahl auch in der Luft vorhanden waren“, beschreibt Wilson das  Ergebnis 1927 in seinem Nobelvortrag.

Während der beiden folgenden Jahre untersuchte er auch die Wirkung der kürzlich in Paris von Pierre und Marie Curie entdeckten „Uran-Strahlen“, von ultraviolettem Licht, Punkt-Entladungen und anderen Quellen. Indem er seinen Apparat in ein elektrisches Feld setzte, konnte er auch nachweisen, dass es sich bei den Kondensationskeimen um geladene Teilchen handelte. Wilson verfeinerte seine Experimente, so dass er positiv und negativ geladene Teilchen trennen konnte. Er bemerkte, dass auch neutrale Teilchen auftraten. Diese Versuche fielen in die Zeit von 1895 bis 1900, in denen er von 1896 bis 1899 dank eines Clerk Maxwell Stipendiums mehr Zeit zum Forschen hatte.

1900 wurde er zum Fellow seines Colleges, des Sidney Sussex, ernannt und erhielt eine Stellung als „Lecturer“ und „Demonstrator“. 1908 heiratete er die Pfarrerstochter Jessie Fraser, mit der er vier Kinder hatte. Da die Betreuung von Studenten ihm kaum Zeit für die Forschung lies, nahm er die Arbeit an der Nebelkammer erst 1911 wieder auf.In der Zwischenzeit konkretisierten sich die Vorstellungen über die Natur der Alpha- und Beta-Strahlen – nicht zuletzt durch die Versuche des fast gleichaltrigen Ernest Rutherford, der zu dieser Zeit ebenfalls am Cavendish Labor arbeitete. „Ich fasste die Möglichkeit ins Auge, die Spuren dieser ionisierenden Teilchen sichtbar zu machen und zu fotografieren“, erzählt Wilson in seinem Nobelvortrag.

Fotos der ersten Spuren, die von Alpha- und Beta-Strahlen hinterlassen wurden, schickte Wilson an die Royal Society, die ihn noch im selben Jahr mit der Hughs Medaille auszeichnete. Seine Publikation erregte großes Aufsehen, nicht zuletzt, weil die Spuren von Alpha-Teilchen genauso aussahen, wie die Spuren, die William Henry Bragg sie einige Jahre zuvor in einer Publikation gezeichnet hatte.

Nun begann Wilsons akademischer Aufstieg, zunächst als „Observer“ für Meteorologische Physik am Solar Physics Observatory, wo er seiner zweiten wissenschaftlichen Leidenschaft nachging: der Entstehung elektrischer Phänomene in der Atmosphäre, allen voran Blitze. Nach dem Ersten Weltkrieg erhielt er einen Lehrauftrag in „Elektrischer Meteorologie“.

Bis 1923  verbesserte Wilson seine Nebelkammer fortlaufend, wobei er über viele Jahre mit großer Geduld die Glasbläserarbeiten selbst ausführte, wie sein Schüler Patrick Blackett (Nobelpreis 1948) sich erinnert. 1923 erschienen seine beiden epochalen Veröffentlichungen über die Spuren von Elektronen, die dazu führten, dass die Nebelkammer weltweit mit großem Erfolg eingesetzt wurde. In Berlin verwendeten sie Walter Bothe und Lise Meitner und in Paris Irène Joliot-Curie und Pierre Auger.

Den Nobelpreis des Jahres 1927 teilte sich Wilson mit Arthur H. Compton, der den von ihm vorhergesagten Effekt mithilfe der Nebelkammer nachweisen konnte. Carl David Anderson entdeckte mit der Nebelkammer das Positron, wofür er 1936 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Wilsons Schüler Patrick Blackett und Giuseppe Occhialini machten damit die Paarbildung und Annihilation von Teilchen sichtbar.

Nach seiner Pensionierung zog Wilson wieder in seine schottische Heimat. Bis ins hohe Alter von 88 war er ein begeisterter Begleiter bei meteorologischen Forschungsflügen. Mit 90 Jahren starb C. R. T. Wilson nach einem langen und erfüllten Leben im Alter von 90 Jahren friedlich im Kreis seiner Familie.

Anne Hardy

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