Koinzidenzmethode

Der Begriff Koinzidenz kommt aus dem Mittellateinischen (co/con = zusammen + in = hinein + cadere/cidere = fallen: zusammen in (einen Punkt) fallen) und bedeutet allgemein das Zusammentreffen von Ereignissen innerhalb einer bestimmten, vorgegebenen Zeitspanne. In der Messtechnik, insbesondere auf den Gebieten Atom-, Kern- und Teilchenphysik, kommt das Prinzip der Koinzidenzmessung mit einer Schaltung mit mindestens zwei Eingängen zur Anwendung, bei der nur beim gleichzeitigen Auftreten von Impulsen an allen Eingängen ein Ausgangssignal entsteht.

Geschichte

Erste Anwendung

Jean Jacques d’Ortous de Mairan (1678 – 1771) erfand bei Pendelmessungen die Koinzidenzmethode, die später von Jean Charles Borda verbessert wurde.

Rückstoßelektron und gestreute Photonen beim Compton-Effekt

Koinzidenzmessung; Versuchsanordnung von Bothe und Geiger

Walther Bothe und Hans Geiger wandten eine Koinzidenzmethode in der Atomphysik an, um das gleichzeitige Auftreten des Rückstoßelektrons und des gestreuten Photons beim Compton-Effekt nachzuweisen. Zu diesem Experiment, das sie 1924/25 durchführten, lenkten sie ein schmales Bündel Röntgenstrahlen zwischen zwei Geiger-Müller-Zählrohre, die sich in einer Wasserstoffatmosphäre befanden. Wasserstoff absorbiert die Röntgenstrahlen nur schwach, streut sie aber stark. Ein Zählrohr, das Zählrohr 1, blieb offen und dadurch mit Wasserstoff gefüllt. Das andere Zählrohr, das Zählrohr 2, war mit einer Platinfolie abgedeckt und der Innenraum war mit Luft gefüllt. Da die Platinfolie die Rückstoßelektronen absorbiert, sprach das luftgefüllte Zählrohr 2 nicht auf Elektronen an. Die Photonen durchdrangen die Folie und lösten dabei aus der Luft, den Wänden des Zählrohrs und der Folie selbst Photoelektronen, die durch das Zählrohr 2 registriert wurden. Das offene Zählrohr 1 registrierte fast keine Photonen, da sie nur wenig vom Wasserstoff absorbiert werden. Die Rückstoßelektronen werden dagegen gemessen. Da das zweite Zählrohr nicht jedes ankommende Photon registriert, entspricht nicht jedem Ansprechen des mit dem ersten Zählrohr verbundenen Elektrometers ein Ausschlag des zweiten Elektrometers. Wenn jedoch eine Koinzidenz von Rückstoßelektron und Photon stattfindet, muss jedem Ausschlag des Photonenzählrohrs ein Ausschlag des Elektronenzählrohrs entsprechen. Bei diesem Versuch wurde keine vollständige Übereinstimmung gemessen, die statistische Auswertung ergab aber eine Anzahl von Koinzidenzen von 150.000 gegen 1, was beweist, dass diese Übereinstimmungen nicht zufällig sind, sondern die Gleichzeitigkeit von Streuung und Erzeugung eines Rückstoßelektrons nachweist.

Das Verdienst bei der Entwicklung der Koinzidenzmessung liegt darin, dass Bothe und Geiger eine elektronische Registrierung des Ansprechens der Zählrohre einsetzten, die Zahl der Koinzidenzereignisse also automatisch registrierten und damit das anstrengende visuelle Beobachten durch die Experimentatoren vermieden. Die Leistungsfähigkeit der Methode wird damit wesentlich gesteigert. Die Koinzidenzmessung entwickelte sich ganz allgemein zu einem wichtigen Untersuchungsprinzip bei der Erforschung der kosmischen Strahlen, in der Erforschung von Elementarteilchenprozessen und der Untersuchung des Compton-Effektes.

Kosmische Strahlung

Nachdem Victor Hess 1912 bei Ballonflügen die Höhenstrahlung entdeckt hatte, war es sein Zeitgenosse Walter Bothe zusammen mit Werner Kolhörster, die in Koinzidenzmessungen den Beweis durchdringender extraterrestrischer Strahlung (Absorptionsmessung) erbrachten. Im Jahre 1929 entwickelten Bothe und Kolhörster eine spezielle Methode, um die Entladung von zwei oder mehreren getrennten Geiger-Müller-Zählrohren nur dann anzeigen zu lassen, wenn die Messung in einem vorbestimmten Zeitintervall erfolgte. Diese neue „Koinzidenzzählung“ ermöglichte es, die Bahn eines geladenen Teilchens durch die Zählrohre hindurch zu verfolgen.

In der Untersuchung der kosmischen Strahlung wurde eine Anordnung von Zählern verwendet, die so aufgestellt waren, dass sie nur eine Entladung anzeigten, wenn sie geradlinig von einem Teilchen durchlaufen wurden. Damit war es nun auch möglich, die Richtung, aus denen die geladenen Teilchen kamen, festzustellen. Tatsächlich fielen die Teilchen bevorzugt senkrecht auf die Erde ein, hingegen sank die Einfallsintensität allmählich auf Null, wenn man die Apparatur gegen den Horizont neigte. Dies scheint auch logisch, da die nicht senkrecht einfallenden Teilchen ja eine viel dickere Luftschicht durchdringen müssen. Mit der Dicke der Luftschicht fällt die Häufigkeit der Teilchen rasch ab – da nur noch besonders energiereiche Teilchen „durchkommen“.

Weitere Entwicklung

1954 erhielt Bothe für seine Arbeiten über die kosmische Strahlung mit dem Koinzidenzverfahren und über die Kernumwandlung zusammen mit Max Born den Nobelpreis für Physik.

Heute ist die Koinzidenzmessung ein wichtiges Untersuchungsmittel der kosmischen Strahlung und aller Arten von Kern- und Elementarteilchenprozessen. Die Auflösezeit der Elektronik von Bothe und Geiger lag bei etwa 1 ms, mit der modernen Elektronik können Zeiten unter 1 ns erreicht werden.

Siehe auch

• Koinzidenz
• Hodoskop

Literatur

• Eduard W. Schpolski: Atomphysik. 1993
• B. M. Jaworski, A. A. Detlaf: Wörterbuch der Physik.
• Emilio Segre: Die großen Physiker und ihre Entdeckungen. 1997