Die Lage vor Viktor Hess

3.4.3   Viktor Hess bestimmt das Absorptionsverhalten der Gammastrahlung und begibt sich das erste Mal in die Luft

Das seltsame Verhalten der Abhängigkeit der Luftionisation von der Höhe überraschte die Physiker einigermaßen, und ein überwiegender Teil der Fachwelt machte Messfehler und unzuverlässige Geräte für die Messergebnisse verantwortlich. Man war sich ja sicher, dass die an der Erdoberfläche beobachtete ionisierende Strahlung zum größten Teil von den radioaktiven Substanzen in der Erde und an der Erdoberfläche herrührten. A. S. Eve berechnete, dass von diesen Substanzen etwa 95 % der Gesamtstrahlung stammen müssen. Den Rest dachte er sich durch in der Atmosphäre verteilten radioaktiven Stoffen verursacht. Nach seiner Theorie müsste daher mit zunehmender Höhe eine Abnahme der Intensität der durchdringenden Strahlung zu beobachten sein. Eve berechnete, dass in einer Höhe von 20 Metern über der Erde 83 %, in 100 Metern 36 %, und in 1000 Metern nur mehr 0.1 % der ursprünglichen Intensität feststellbar sein dürften.

Die Beobachtungen von Theodor Wulf, Albert Gockel und auch von einem gewissen von Bergwitz haben hingegen keineswegs eine so rasche Abnahme der durchdringenden Strahlung mit der Seehöhe erkennen lassen.

Viktor Hess sah zwei mögliche Erklärungen für das geschilderte Mysterium:

• Es könnte außer den radioaktiven Substanzen der Erde noch ein weiterer, der Fachwelt bisher unbekannter Ionisator in der Atmosphäre wirksam sein.
• Die Absorption der Gamma Strahlung in der Luft könnte doch viel langsamer erfolgen, als dies A. S. Eve für seine Berechnungen voraussetzte.

Viktor Hess war klar, dass er diese Möglichkeiten veri- oder falsifizieren musste, bis er die richtige Antwort herausgefunden hatte, um dem Rätsel auf die Spur zu kommen. Er entschloss sich, mit der Frage zu beginnen, der er leichter auf den Grund gehen konnte, nämlich mit der des Absorptionsverhalten der Gamma Strahlung in unserer Atmosphäre. Die Ergründung des zweiten Punktes war auch deswegen von entscheidender Wichtigkeit, da bis zu dieser Zeit noch niemand direkt die Absorption von Gamma Strahlung in Gasen gemessen hatte. Der einzige Zugang war die Extrapolation des Absorptionskoeffizientes aus dem Dichtegesetz, das darauf beruht, dass die Absorption von Strahlung in einem Medium proportional zur Dichte dieses Mediums ist, dass also der Absorpionskoeffizient λ (Lambda) eine Funktion der Dichte ist, mit λ/D = konstant, wo λ für den Absorptionskoeffizienten und D für die Dichte des Mediums steht.

Also führte Hess eine direkte Bestimmung des Absorptionskoeffizienten der γ-Strahlung durch. Als Messgerät verwendete Hess natürlich ein Wulf’sches Elektrometer. Luftdicht aufgeschraubt war eine Ionisationskammer mit einem Volumen von 11.1 L, also 11100 cm³ und einem axial angebrachten Zerstreuungsstift. Die Kapazität des Messgerätes betrug 7 cm, was einen ziemlich hohen Wert darstellt. Das konnte Hess sich leisten, da er vorhatte, mit ziemlich starken Ionisatoren zu arbeiten, nämlich Radiumpräparaten. Die Empfindlichkeit des Elektrometers betrug 1.95 Volt pro Teilstrich der Okularskala. Als Messort verwendete Hess die (damals) freie Wiese hinter dem Wiener Radiuminstitut. So hatte er die Möglichkeit, das Radiumpräparat in jeder beliebigen Entfernung von seinem Ionisationsmessgerät aufzustellen.

Mit zwei Problemen hatte Hess bei seinem Experiment allerdings noch zu kämpfen:

• Der zu beobachtende Effekt nimmt proportional zum Quadrat der Entfernung des Ionisators zum Messgerät ab. Daher müssen Sättigungsströme von sehr unterschiedlicher Größe verglichen werden.
• Jede Schwankung der natürlichen Ionisations führt zu vergrößerten Unsicherheiten des Messergebnisses, was vor allem bei kleinen künstlichen Effekten große Auswirkungen haben kann.

Beide Überlegungen erfordern die Verwendung von so großen Quantitäten von Radium, wie man sie nur damals in Freihandversuchen verwendete. Um in einer Entfernung von 90 Metern von der Strahlungsquelle einen für Hess damals gerade noch bequem messbaren Effekt von 20 Volt pro Stunde zu erhalten, benötigte er 700 Milligramm reines Radium, was einer Radioaktivität von 0.7 Curie oder 26 Milliarden Zerfälle pro Sekunde (2.6·10¹⁰ Bequerel) entspricht (für heutiges Empfinden enorm hohe Werte!). Viel geringere Distanzen als 90 Meter als maximale Entfernung empfehlen sich nicht für solche Absorptionsmessungen, da ja z. B. in einer 50 m dicken Luftsäule eine Schwächung der Strahlung durch Absorption um nur 20 % feststellbar ist.

Hess führte in folge eine Reihe von 5 Experimenten durch, in denen ihm Präparate von 920 mg, 1020 mg und 1420 mg Radiumchlorid zur Verfügung standen. Die Präparate waren wie üblich in Glasröhrchen eingeschmolzen. Um die β-Strahlung abzuschirmen barg Hess diese Glasröhrchen noch zusätzlich in Bleibehältern von 3 mm Wandstärke.

Im Zuge der Messungen stellte Hess die Präparate in Entfernungen von ganzzahligen Vielfachen von 10 m bis zu 90 m vom Elektrometer entfernt auf, und jedes Mal bestimmte er die Ionisationsrate als Mittelwert von 5 bis 10 Einzelwerten. Dabei machte Hess die wichtige Annahme, dass alle erzeugten Ionen zum beobachteten Spannungsabfall beitrugen, unabhängig von der absoluten Spannung. Die natürliche Zerstreuung wurde dabei ebenfalls vor und nach jeder Messung bestimmt, indem das Präparat im Keller versteckt wurde, um so den ionisierenden Einfluss seiner Aktivität auszuschalten.

Die Ionisationsrate, die sich beim i-ten Experiment durch die radiogene Ionisation ergab, soll im folgenden als I_i bezeichnet werden, die dazugehörigen Distanz als r_i. Dann gelten folgende Zusammenhänge:

Daraus lässt sich durch mathematisches Umformen der Absorptionskoeffizient ermitteln:

Dabei steht r₀ wahlweise für die größte oder die kleinste Distanz vom Ionisator. Die Resultate der Messungen von Hess sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

Die relativ große Abweichung in den Einzelwerten ist in den unvermeidlichen Schwankungen der natürlichen Ionisation während der mehrstündigen Messzeiten begründet. Ansonsten stimmte der gefundene Mittelwert für λ innerhalb von 2 % mit den Erwartungen aus dem Dichtegesetz überein. Hess zeigte also, dass das Absorptionsvermögen der Luft für γ-Strahlung tatsächlich dermaßen beschaffen ist, wie es A. S. Eve für seine Berechnungen vorausgesetzt hatte, dass also die durchdringende Strahlung der Erde mit der Höhe rasch abnehmen und in einer Höhe von 500 Metern über dem Erdboden nur mehr einige Prozent der ursprünglich Intensität zu messen sein dürften. Nachdem dieser Sachverhalt verifiziert war, waren die Messwerte von Gockel, Wulf und Konsorten umso weniger zu verstehen, aber Hess noch lange nicht mit seinem Latein am Ende. Er war ja zu Beginn seiner Forschungstätigkeit von einem zwei Punkte Programm ausgegangen:

1. Es könnte außer den radioaktiven Substanzen der Erde noch ein weiterer, der Fachwelt noch unbekannter Ionisator in der Atmosphäre wirksam sein.
2. Die Absorption der γ-Strahlung in der Luft könnte doch viel langsamer erfolgen, als dies A. S. Eve für seine Berechnungen voraussetzte.

Viktor Hess war es also gelungen, nachzuweisen, dass der zweite Punkt nicht zur Erklärung des Leitfähigkeitsverhaltens der Atmosphäre geeignet war. Doch darauf war er schon im theoretischen Ansatz seiner Experimente vorbereitet gewesen. Es war quasi nur mehr ein letzter vorbereitender Schritt, eine Unsicherheit, die es auszuschließen galt, bevor Hess sich sinnvoller Weise der Fragestellung seines eigentlichen Interesses widmen konnte: nämlich dem ersten Punkt seines Arbeitsprogrammes, in dem er der Frage nachgehen wollte, ob außer den radioaktiven Substanzen der Erde weitere der Fachwelt noch unbekannte Ionisatoren in der Atmosphäre wirksam sein könnten, wie diese beschaffen wären, und woher sie kämen.

Im Zuge seiner intensiven Forschungen bekam der engagierte Hess gleichfalls die begehrte Gelegenheit, Messungen der durchdringenden Strahlung in verschiedenen Höhen mit Hilfe eines Freiballons durchzuführen.

Als Messinstrument diente auch ihm der Wulf’sche Strahlungsapparat, wie er weiter oben beschrieben ist, allerdings in einer speziellen, verbesserten, eigens für Messungen in großen Höhen und unter Wasser gedachten, und daher besonders luftdichten und stabilen Bauart. Die Wandstärke der aus Messing hergestellten Ionisationskammer betrug 2 mm, so dass der Apparat allen bei Ballonfahrten auftretenden Druckdifferenzen leicht gewachsen war. Die Kapazität des Gerätes war auf 1.6 cm hinuntergedrückt, der Rauminhalt betrug 2039 cm³. Ein Spannungsabfall von 1 V·h^-1 entspricht daher einer Ionisationsrate von 1.56 Ionen·s^-1·cm^-3. Die Einheit [ Ionen·s^-1·cm^-3 ] soll im folgenden mit [ J ] bezeichnet werden.

In der Zeit vom 23. August bis zum 28. August 1911, an dem dann die erste Fahrt stattfinden sollte, unternahm Hess vorbereitende Messungen auf der Praterwiese mit eben diesem Wulf’schen Elektrometer und erhielt eine Ionisationsrate von (34.6 ± 1.6) J. Wer in dieser Ionisationsrate einen hohen Wert sieht, wird mit Hess vermuten, dass die Wände des Apparates über eine relativ hohe Eigenstrahlung verfügen, die zunächst möglichst genau zu bestimmen ist, bevor man an eine Auswertung irgendwelcher Messergebnisse gehen kann. Hess löste diese Aufgabenstellung, indem er sein Messgerät in den Donauauen unter Wasser setzte und so Vergleichsmessungen unterhalb und oberhalb der Wasserlinie durchführte, um die Umgebungsstrahlung von den Donauwassern abgeschirmt zu wissen. Tatsächlich führte Hess diese Messungen im Kaiserwasser durch, einem Donauarm bei Kaisermühlen. Hess erhielt damit einen Wert von etwa 25 J ohne Angabe eines Fehlers. Daraus ließ sich jedenfalls schließen, dass die Strahlung am Aufstiegsorte im Wiener Prater ungefähr 10 J betrug. Gleichzeitig fand Hess die Strahlung über dem Wasser stark vermindert. Die Messwerte knapp über dem Wasserspiegel und 1½ Meter unter der Wasserlinie zeigten nahezu den gleichen Betrag. Also schien ihm der Schluss vernünftig, dass die radioaktive Strahlung in ihrer Hauptsache nicht von der Atmosphäre, sondern von der Erdoberfläche ausging.

Am 28. August 1911 trat Hess seinen ersten Aufstieg mit einem Freiballon an. Es handelte sich um den Ballon Radetzky des Österreichischen Aeroklubs, mit 1200 m³ Leuchtgas gefüllt (Bei Leuchtgas handelt es sich um Erdgas, das damals vor allem für Beleuchtungszwecke verwendet wurde). Oberleutnant Heller fungierte als Führer und Hess selbst als einziger Passagier. Hess hatte stets den Vorteil, in solch kleinen Gruppen zu reisen, und somit viel Platz für seine Messgeräte in der Ballongondel zu haben. Albert Gockel hingegen boten sich nur Gelegenheiten, an Ausflugsfahrten teilzunehmen, wo sich schon mehrere Personen in der Ballongondel drängten.

Durchflogene Strecke: 45 km, erreichte Höhe 1070 m, die beobachteten Werte sind in nachfolgender Tabelle angeführt:

Wie damals scheinbar üblich sind auch in dieser Tabelle keine Messfehler angegeben. Qualitativ kann man aber wohl sehen, dass in den durchwanderten Höhen bis 1070 m die vorgefundene Strahlung sich nicht wesentlich von der am Boden unterscheidet, ganz im Gegensatz zu den Erwartungen von Eve und dem, was Hess über die Absorption der γ-Strahlung in der Atmosphäre wusste. Die Abnahme von 32.3 J auf 28.1 J beim Aufstieg von 0 m auf 440 m über der Erdoberfläche schätzte Hess als statistischen Ausreißer ein, dem er weiter keine große Bedeutung beimaß. Ansonsten fand Hess, dass seine Messergebnisse ganz gut mit denen von Gockel übereinstimmten, wenn man zweitere auf normalen Luftdruck korrigierte. Da bei Gockel dann sogar eine leichte Zunahme der Ionisation festzustellen war, folgerte nun Hess, dass nach allen bisherigen Ergebnissen an noch weitere Ionisatoren in der Atmosphäre zu denken wäre, deren Wirksamkeit mit zunehmender Höhe noch zunahm.

Auch dem möglichen Einwand, dass sich der Ballon während der Fahrt mit radioaktiven Substanzen anreichert und somit während der ganzen Fahrt eigentlich die Ionisation durch den Ballon gemessen wurde, und nicht ein neues, noch unbekanntes Phänomen der Natur, kam Hess zuvor, indem er gleich nach der Landung Messungen direkt neben der Ballonhülle durchführte, die zu völlig normalen Werten führte, was nicht der Fall gewesen wäre, hätte sich jetzt zur natürlichen Radioaktivität der Erde noch die angenommene Radioaktivität des Ballons addiert, was einen markant höheren Wert hätte ergeben müssen.

Um weitere Informationen über diesen unbekannten Ionisator zu erhalten, plante Hess an dieser Stelle weitere Ballonfahrten und vor allem solche bei Nacht durchzuführen. Damit schien er auf die Annahme eingehen zu wollen, dass es sich bei diesem Ionisator um von der Sonne stammende β-Strahlung oder ähnliche heliogene Strahlung handeln könnte. [10]