Albert Gockel und die kosmische Strahlung

Hansruedi Völkle, Physikdepartement der Universität Freiburg (Schweiz)

 

Leben und wissenschaftliche Laufbahn

Albert Gockel (27.11.1860 in Stockach/Baden – 4.5.1927 Freiburg) studierte in Freiburg i. Br., Würzburg und Karlsruhe, promovierte 1885 in Heidelberg und kam 1896 als Assistent von Prof. Józef Kowalski an die Universität Freiburg (Schweiz), wo er bereits 1901 habilitierte. Die katholische Universität Freiburg wurde 1889 gründet, ausgehend von einer seit 1763 bestehenden Akademie der Rechtswissenschaften und dem 1582 vom hl. Petrus Canisius gegründeten Kollegium St. Michael. Ab 1903 war Albert Gockel a.o. und ab 1910 o. Professor für Physik, sowie Leiter des Institutes für kosmische Physik, das allerdings nur aus ihm und einem einzigen Assistenten bestand. Er war zweimal Dekan und von 1921 bis 1922 Rektor der Universität. Er widmete sich der systematischen Messung des elektrischen Erdfeldes, der luftelektrischen Erscheinungen, aber auch der Radioaktivität von Boden und Quellen. In seiner Villa im Freiburger Gambach-Quartier richtete er ein Observatorium ein und führte systematische meteorologische Beobachtungen durch, die er regelmässig im Bulletin der Naturforschenden Gesellschaft veröffentlichte. Über seine Forschungstätigkeit publizierte er mehrere teils umfangreiche Arbeiten und korrespondierte mit anderen Wissenschaftlern, so auch mit Albert Einstein, der zu dieser Zeit am Eidgenössischen Patentamt in Bern tätig war. Albert Gockel war bekannt als exakter, gewissenhafter und selbstkritischer Forscher, und seine Arbeiten, über die er in seinen Publikationen mit grosser Genauigkeit berichtete, führten ihn auf zahlreiche Reisen (immer begleitet von seinen Messgeräten), nicht nur durch die Schweiz, sondern auch nach Italien, Spanien und Nord-Afrika.

Ballonfahrten zur Messung der Ionisation der Luft

Mit dem Wulf’schen Strahlungsapparat (s. Kasten) machte Gockel in den Jahren ab 1909 mehrere Ballonfahrten bis auf 4500 m zur Messung der Ionisation der Luft. Die erste Fahrt fand anlässlich der internationalen Ballonwoche im Dezember 1909 statt, bei dem der Schweizerische Aeroklub den Herren Albert Gockel und Dr. Alfred de Quervain (1879-1927; Geophysiker und Meteorologe an der ETH Zürich und der damaligen Meteorologischen Zentralanstalt) einen Gasballon zur Verfügung stellte. Zu einer ersten Schlussfolgerung kommt Gockel bereits nach seiner ersten Ballonfahrt: „Das Resultat der Messungen ist demnach, dass in der freien Atmosphäre zwar eine Verminderung der durchdringenden Strahlung eintritt, aber lange nicht in dem Maße, wie man es erwarten könnte, wenn die Strahlung in der Hauptsache vom Boden ausgeht“ [4]. Und weiter kommt er in [5] zum Schluss: „In einem Gefäss dicht eingeschlossene Luft zeigt, wie sich mit dem Elektroskop nachweisen lässt, ein gewisses Leitungsvermögen. Dasselbe wird zum grossen Teil durch eine radioaktive Strahlung verursacht, die von aussen kommt.“ … „Die verbreitetste Annahme ist die, dass diese Strahlung ausgeht von den radioaktiven Produkten, welche sich im Erdboden befinden.“ … „Um zu erforschen, wie sich die Intensität dieser Strahlung mit der Höhe ändert, hat der Vortragende bei 2 Ballonfahrten die Intensität dieser Strahlung gemessen. Das Resultat war, dass selbst in Höhen von 4500 m die Abnahme der Strahlung nur sehr gering ist.“ … und hier kommt der entscheidende Satz: „Es muss diese Strahlung daher zum Teil entweder aus der Atmosphäre oder von einem Gestirn ausserhalb der Erde kommen“. Wir wissen heute, dass der terrestrische Anteil der Strahlendosis in der freien Atmosphäre nur bis etwa 800 m über den Erdboden reicht und demzufolge die gesamte gemessene Dosis in dieser Höhe auf die ionisierende Komponente der kosmischen Sekundärstrahlung zurückzuführen ist. Auch wenn Albert Gockel noch nicht von kosmischer Strahlung spricht, und zudem auch noch gewisse Zweifel an der Zuverlässigkeit seiner Instrumente äusserte, darf man ihn doch zu den Entdeckern der kosmischen Strahlung rechnen.

Vergleich mit modernen Messungen

Nachfolgend werden die Messwerte der ersten Ballonfahrt von Albert Gockel mit Messungen eines modernen Gerätes, anlässlich einer Fahrt mit einem Heissluftballon von 1982 über der Stadt Freiburg verglichen. Die Messung erfolgte mit einer Argon-gefüllten Hochdruckionisationskammer vom Typ Reuter Stokes, kalibriert in μRöntgen/h.

Abb. 1: Albert Gockel, 1860 - 1927
Abb. 2: Messwerte der ersten Ballonfahrt von Albert Gockel von 1910 (♦), umgerechnet in micro-R/h in Funktion der Höhe, verglichen mit Messungen (---) mit einer Argon-gefüllten Hochdruckionisationskammer vom Typ Reuter Stokes über der Stadt Freiburg (ca. 600 m ü M) [aus 9]. Eine zusätzliche Messung wurde auf dem Neuenburgersee vorgenommen (•) (429m ü M), (terrestrische Strahlungsanteile durch das Wasser abgeschirmt).

Die Messwerte von [9] (ausgezogene Linie) zeigen zuerst, mit zunehmendem Abstand vom Erdboden, eine Abnahme der Dosis bis auf ca. 1100 m, da bis zu dieser Höhe der terrestrische Anteil auf Null abnimmt. Danach misst man nur noch den ionisierenden Anteil der kosmischen Sekundärstrahlung, der annähernd exponentiell bis ca. 20'000 m ansteigt. Die Messwerte von Albert Gockel sind höher als jene mit der Reuter Stokes Ionisationskammer, was damit zu erklären ist, dass das Wulf’sche Gerät auch die Ionisation durch Alpha- und Beta-Strahlung von Radon und dessen Folgeprodukten in der Luft miterfasst. Eine durchschnittliche Radon-Konzentration in der Aussenluft von 10 Bq/m3 in der Bodenluft würde (bezogen auf das Wulf’sche Gerät) in Dosisleistung umgerechnet eine Überschätzung der Dosis in Bodennähe von etwa 10 μRöntgen/h bedeuten, in 1000 m über dem Boden (1400 m absolute Höhe) noch etwa 4 μRöntgen/h und in 2000 m über den Boden (2400 m absolute Höhe) noch ca. 2 μRöntgen/h.

Korrigiert man die Daten von Gockel in diesem Sinne, nähern sich seine Messwerte den Messungen von 1982, und eine allmähliche Zunahme der Dosisleistung ab etwa 1000 m wird erkennbar.

 

Einige Quellen sowie Publikationen von Albert Gockel:

[1] Albert Gockel «Das Gewitter», Commissions-Verlag und Druck von J. P. Bachem (1895)
[2] Albert Gockel «Luftelektrische Untersuchungen», Kommissionsverlag der Universitätsbuchhandlung, Freiburg (Schweiz) (1902)
[3] Albert Gockel «Die Luftelektrizität», Verlag S. Hirzel, Leipzig (1908)
[4] Albert Gockel «Luftelektrische Beobachtungen bei einer Ballonfahrt», Physik. Zeitschr. XI (1910), p. 280
[5] Albert Gockel «Luftelektrische Messungen bei einer Ballonfahrt», Bulletin de la Société Fribourgeoise des Sciences Naturelles, Vol. XIX (1911), pp. 28-20
[6] Albert Gockel «Die Radioaktivität von Boden und Quellen», Fr. Vieweg & Sohn Braunschweig (1914)
[7] Georg Federmann «Viktor Hess und die Entdeckung der kosmischen Strahlung», Diplomarbeit am Institut für Radiumforschung und Kernphysik der Universität Wien (2003)
[8] Hubert Schneuwly «Albert Gockel et la découverte de rayon cosmique» in Défis et Dialogue / Herausforderung und Besinnung, Vol. 13, Editions Universitaires Fribourg (1991), p. 135
[9] Ch. Murith, L. Ribordy, H. Surbeck, H. Völkle, J. Czarnecki und J. Schuler «Environmental in-situ Gamma-Spectrometry in Switzerland», Environment International, 14 (1988) p. 353.

 

 

Messverfahren

Für die Messungen der Luftelektrizität benutzte Gockel den Wulf’schen Strahlungsapparat, eine Kombination einer Ionisationskammer mit einem Zweifadenelektroskop, das von Theodor Wulf (1968-1946, deutscher Jesuit und Physiker) zur Messung der Ionisation der Luft entwickelt wurde. Bei einem Volumen von 2700 cm3 besass es eine Kapazität von 1.3 pF. Eine Ionisationsrate von 0.84 Ionenpaare/cm3/s ergibt (da ΔQ = ΔU·C) am Elektrometer einen Potentialverlust von rund 1 Volt/Stunde.

Hier die Umrechnung In „modernere“ Einheiten: Die seit 1985 nicht mehr benutzte Einheit Röntgen ist definiert als die Erzeugung von positiven und negativen Ionen einer elektrostatischen Ladungseinheit pro cm3 Luft, entsprechend 1.6x1015 Ionenpaare/kg Luft=2.58 x10-4 Cb/kg Luft. 1 μRöntgen / Stunde ergibt somit eine Ionisationsrate in Luft von 0.57 Ionenpaare/cm3/s und – auf die von Gockel benutzte Messgrösse umgerechnet – 0.68 Volt/Stunde. Benutzt man die heute für die Energiedosis gültige Einheit Gray (1 Gy = 100 rad = 1 Joule/kg Luft) und berücksichtigt, dass für organisches Gewebe näherungsweise 1 rad = 1.14 Röntgen ist, ergibt sich als Umrechnungsfaktor für Luft: 1 Röntgen ≈ 0.00877 Gy.

 

 

[Veröffentlicht: Juli 2009]