Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung

4.2   Die sieben Fahrten 1912 - die Entdeckung einer neuen Strahlung

Eine Subvention der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien ermöglichte es Viktor Hess, im Jahre 1912 sieben weitere Ballonfahrten durchzuführen, die ihn in den Reihen der Ballonforscher ganz nach vorne katapultierten. Für seine Messungen standen ihm nun zwei Apparate zur Verfügung. Sein bewährter Wulfscher Strahlungsapparat Apparat I mit einem Volumen von 2039 cm³, der ihm noch aus dem Vorjahr übrig geblieben war, und ein neuer Apparat II.

Das Innere der aus Messing gefertigten Apparate war, um die Eigenstrahlung der Geräte zu minimieren, verzinkt worden. Dadurch war der Normalverlust des Apparates I von den 35 J des Vorjahres auf 15 bis 16 J vermindert worden. Die Idee dazu stammte vom glücklosen Privatdozenten Dr. Bergwitz aus Braunschweig. Durch die Verzinkung war die Wandstärke auf 3 mm erhöht, wodurch im Inneren des Ionisationsraumes nur die Gamma Strahlen wirken konnten.

Um auch das Verhalten der β-Strahlung in großen Höhen studieren zu können, hatte sich Hess ein weiteres Messgerät von nicht luftdichter Bauart, den Apparat III, gebastelt. Es handelte sich dabei um ein einfaches Wulf’sches Zweifadenelektrometer mit einem 20 cm langem Messingstift als Zerstreuungskörper. Darüber war ein Zinkzylinder mit 16.7 Liter Rauminhalt gestülpt, der als Ionisationsraum diente. Der Zylinder war aus dem dünnsten, damals erhältlichen Zinkblech gefertigt, und hatte somit eine Stärke von 0.188 mm. Somit konnte auch die β-Strahlung noch teilweise im Volumen wirksam werden.

Üblicherweise entfernte man bei den Strahlenapparaten das Ionisationsvolumen, um den Ladungsverlust zu bestimmen, der sich aus einer mangelhaften Isolation ergab. Beim Wulf’schen Strahlenapparat geschah das durch Herunterlassen eines Schutzzylinders über die Fäden des Elektrometers. Die Messung ergab einen so verursachten Spannungsabfall von 0.2 V·h^-1 bei Apparat I und 0.7 V·h^-1 bei Apparat II. Beim β-Strahlenapparat III erfolgte die Isolationsmessung, indem der Zinkzylinder abgenommen und durch eine Schutzkappe für das Elektrometer ersetzt wurde, wodurch die stündliche Entladung unabhängig von einer Ionisation im großen Volumen bestimmt werden konnte.

Zunächst kam es Hess darauf an, ein großes Datenmaterial zu sammeln, um zuverlässige Mittelwerte zu gewinnen, vor allem auch in geringeren Höhen wie 100 oder 200 m. Gleichzeitige Parallelmessungen mit allen drei Apparaten sollten zeigen, ob sich die weicheren Strahlungskomponenten ähnlich verhalten, wie die sehr durchdringende Strahlung.

Außerdem war es ihm von Interesse, den unergründlichen Schwankungen der Strahlung auf die Spur zu kommen, von denen schon Pacini und Gockel berichtet hatten. Wie Parallelmessungen mit zwei Wulf’schen Elektrometern seitens Pacinis bereits gezeigt hatten, traten diese Schwankungen im allgemeinen zeitgleich in beiden Geräten auf, was darauf hinweisen mochte, dass die Hauptursache der Schwankungen außerhalb der Apparate, also in der Strahlung selbst, zu suchen war. Hess wollte feststellen, ob auch während Ballonfahrten solche Schwankungen auftreten würden, und von welcher Größenordnung diese dann wären. Da solche Messungen nur über größere Zeiträume durchgeführt Erfolg versprachen, war es für Hess klar, dass er einen guten Teil seiner Flüge bei Nacht würde durchführen müssen, da es bei Nachtflügen erfahrungsgemäß viel einfacher war, den Ballon über lange Zeit in gleicher Höhe zu führen. Wiederum sollten Parallelmessungen in allen drei Apparaten zeigen, ob eventuelle Schwankungen der ionisierenden Strahlung die weicheren und härteren Komponenten der Strahlung im gleichen Ausmaß betreffen.

Aber der für Hess ganz wesentliche Punkt war die Messung der Strahlung in möglichst großen Höhen. Da die geringe Tragfähigkeit des in Wien zur Verfügung stehenden Leuchtgases und die besonderen meteorologischen Verhältnisse stets ein Erreichen bedeutender Höhen verhinderten, wandte er seinen Blick hoffnungsreich nach dem industriell weit fortgeschrittenen Böhmen, wo man den vielversprechenden Wasserstoff als Füllgas zur Verfügung hatte. Einen Flug zumindest wollte er mit einem solchen Ballon aus Böhmen probieren.

Da Hess sich immer wieder mit den Befürchtungen seiner Zeitgenossen konfrontiert sah, dass der Ballonkorb, die Ballonhülle oder der Ballastsand radioaktiv kontaminiert sein könnten und damit die Ergebnisse der Experimente verfälschten, machte er es sich zur Angewohnheit, einige Stunden vor und nach dem Erkundungsflug die Ionisation in unmittelbarer Nähe seiner Ausrüstung zu messen, um jedes Mal die völlig normalen Bodenwerte zu erhalten. Ebenso bestimmte er die Ionisation direkt bei einem größeren Ballastsandvorrat, um auch die letzten Sorgen seiner Kritiker zu zerstreuen.

Die im folgenden angegebenen Messparameter hat Hess wie folgt bestimmt: Die Höhen sind den Angaben des mitgeführten Barographen entnommen. Die zwischen Beginn und Endpunkt eines Beobachtungsintervalles liegende mittlere Höhe wurde aus der Barographenkurve mittels graphischen Verfahrens gemittelt. Die aus Kartenmaterial ermittelte Seehöhe der überflogenen Orte wurde von dieser absoluten Höhe abgezogen, was die relative Höhe, also den Abstand zur Erdoberfläche, ergab.

Während des gesamten Ballonfluges blieb der Luftdruck in den beiden Messgeräten Apparat I & II konstant und entsprach dem Luftdruck auf der Erdoberfläche, während er bei dem dünnwandigen Messgerät immer gleich dem Außendruck war, also mit steigender Seehöhe immer geringer wurde. Ausgehend von der bereits oben verwendeten Dichteformel ist die durch γ-Strahlung erzeugte Ionisation im Medium proportional zur Dichte des Mediums. Die Dichte der Luft im Ionisationsraum ist wiederum proportional zum darin herrschenden Druck. Daher kann man in guter Näherung annehmen, dass auch die Ionisation im Volumen proportional zum Luftdruck sein wird, wenn man davon ausgeht, dass die Ionisation durch die Eigenaktivität der Gefäßwände ebenfalls mit dem Luftdruck im Volumen geht, was z. B. dann nicht der Fall zu sein braucht, wenn es sich dabei um sehr weiche Strahlung wie z. B. die α-Strahlung handelt, die bei den auftretenden Dichten auf jeden Fall zur Gänze im Ionisationsraum absorbiert wird.

Auf jeden Fall lässt sich unter obiger Annahme der gefundene Messwert leicht auf Normaldruck reduzieren, indem man die gemessene Ionisation mit dem Faktor b/b₀ multipliziert, wo b der mittlere Luftdruck während der Messung und b₀ = 750 mmHg ist. Die so gewonnene Ionisationsraten werden in den Messergebnissen der Ballonfahrten mit q_red gekennzeichnet.