Boten aus dem Weltall: zum 100-jährigen Jubiläum der

Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Victor Franz Hess

Walter Kutschera VERA Laboratorium

Fakultät für Physik – Isotopenforschung Universität Wien

66. Fortbildungswoche für Lehrkräfte aus Physik und Chemie

Universität Wien 27. Februar – 2. März 2012

Das Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark. Hier wurde Victor Franz Hess am 24. Juni 1883 geboren

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris

Lebenslauf von Victor Franz Hess

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris 1906 – 1910 II. Physikalisches Institut der Universität Wien, Franz Serafin Exner 1910 Privatdozent 1910 – 1920 Assistent bei Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung in Wien und Honorardozent an der Tierärztlichen Hochschule in Wien

Lebenslauf von Victor Franz Hess

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris 1906 – 1910 II. Physikalisches Institut der Universität Wien, Franz Serafin Exner 1910 Privatdozent 1910 – 1920 Assistent bei Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung in Wien und Honorardozent an der Tierärztlichen Hochschule in Wien 1912 Entdeckung der kosmischen Strahlung

Lebenslauf von Victor Franz Hess

Measuring the ionisation of air with an electrometer

The string electrometer apparatus of Wulf T. Wulf, Über die in der Atmosphäre vorhandene

Strahlung von hoher durchdringungsfähigkeit Physikalische Zeitschrift 10 (1909) 152

Also: Albert Gockel (CH), Domenico Pacini (I)

In 1912 Victor Hess made 7 ballon flights to study the ionisation in air as a function of altitude. The picture shows him before or after one of these flights.

W.F. Hess, Über Beobachtungen der durchdringenden Strahlen bei sieben Freiballonfahrten, Physikalische Zeitschrift 13 (1912) 1084-1091

1 17. April 1912, Sonnenfinsternis 2 16-27. . April 1912 3 20.-21. Mai 1912, Nacht

4 3.-4. Juni 1912

5 19. Juni 1912

6 28.-29. Juni 1912 6 Ballonfahrten (Leuchtgas)

Quelle: G. Federmann, Diplomarbeit 2002 (http://www.federmann.co.at/vfhess/index.html)

Die entscheidende 7. Ballonfahrt (Wasserstoff) bis 5300 m, 7. August 1912

W. Kohlhörster, Physik. Zeitschr. 14 (1913) 1153-1156; und Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 16 (1914) 719.

Figure from: P. Carlson, A Century of Cosmic Rays, PHYSICS TODAY, February 2012, 30-36

Werner Kohlhörster, ~1912

Victor Hess an seinem Schreibtisch im Institut für Radiumforschung in Wien, ~1916

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris 1906 – 1910 II. Physikalisches Institut der Universität Wien, Franz Serafin Exner 1910 Privatdozent 1910 – 1920 Assistent bei Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung in Wien und Honorardozent an der Tierärztlichen Hochschule in Wien 1912 Entdeckung der kosmischen Strahlung 1920 – 1925 Ao. Professor an der Universität Graz 1920 Heirat mit Maria Breisky, Witwe mit zwei Kindern

Lebenslauf von Victor Franz Hess

Arthur Barbara Bill Marta

The Breisky family

at VERA in Vienna

(1-Nov-2007)

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris 1906 – 1910 II. Physikalisches Institut der Universität Wien, Franz Serafin Exner 1910 Privatdozent 1910 – 1920 Assistent bei Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung in Wien und Honorardozent an der Tierärztlichen Hochschule in Wien 1912 Entdeckung der kosmischen Strahlung 1920 – 1925 Ao. Professor an der Universität Graz 1920 Heirat mit Maria Breisky, Witwe mit zwei Kindern 1921 – 1923 Aufenthalt an der United States Radium Corporation in New Jersey, USA 1925 – 1931 Professor für Experimentalphysik an der Universität Graz

Lebenslauf von Victor Franz Hess

Victor Franz Hess (1883-1964), ~1922

Robert Andrews Millikan (1868-1953), ~ 1923

Millikan & Cameron, New Results on Cosmic Rays, Nature 121 (1928) 19-26

Zeitschrift für Physik 56 (1929) 751-777

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris 1906 – 1910 II. Physikalisches Institut der Universität Wien, Franz Serafin Exner 1910 Privatdozent 1910 – 1920 Assistent bei Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung in Wien und Honorardozent an der Tierärztlichen Hochschule in Wien 1912 Entdeckung der kosmischen Strahlung 1920 – 1925 Ao. Professor an der Universität Graz 1920 Heirat mit Maria Breisky, Witwe mit zwei Kindern 1921 – 1923 Aufenthalt an der United States Radium Corporation in New Jersey, USA 1925 – 1931 Professor für Experimentalphysik an der Universität Graz 1931 – 1937 Professor und Vorstand des Instituts für Strahlenforschung der Universität Innsbruck 1936 Nobelpreis für Physik, gemeinsam mit Carl David Anderson

Lebenslauf von Victor Franz Hess

Meßstation für Kosmische Strahlung am Hafelekar (2265 m), errichtet 1931 von Victor Franz Hess

Result of a 5-months exposure of photographic emulsion to cosmic rays on Hafelekar (2300 m): Marietta Blau & Herta Warmbacher Disintergration Process by Cosmic rays with the Simultaneous Emission of Several Heavy Particles Nature 140 (1937) 585

Discovery of the positron from the curvature and length of the track in the Wilson cloud chamber when it passed from below through a 6-cm thick lead plate. From: C.D. Anderson, The Positive Electron, Physical Review 43 1933) 491- 494.

Carl David Anderson (1905-1991)

Working at Caltech with the electromagnet and a Wilson cloud chamber (~1932) From: F. Close, M. Marten, C. Sutton, Particle Explosion, Oxford Univ. Press 1987.

The discovery of the muon (Isodor Rabin: “Who ordered that“)

C. D. Anderson and S. H. Neddermeyer Cloud chamber observations of cosmic rays at 4300 meters elevation and near sea-level Physical Review 50 (1936) 263-271. J. C. Street and E. C. Stevenson New evidence for the existence of a particle of mass intermediate between the proton and electron Physical Review 52 (1937) 1003-1004.

1936 Nobel Prize in Physics Victor Franz Hess “for his discovery of cosmic radiation“ and Carl David Anderson “for his discovery of the positron“

Cosmic Ray Conference at the University of Chicago, July 1939

V.F. Hess W. Heisenberg

C.D. Anderson A.H. Compton H. Bethe

E. Teller

W. Bothe

W. Kohlhörster S. Goudsmit

B. Rossi

J. Wheeler

S. Neddermeyer P. Auger

R. Serber M. Pommerantz

Picture courtesy of J. Cronin & D. Müller, University of Chicago

R. Oppenheimer

R. Brode

S. Forbush

1883 Geboren im Schloss Waldstein bei Deutschfeistritz in der Steiermark 1893 – 1901 Gymnasium in Graz 1901 – 1905 Physikstudium an der Universität Graz, Doktorarbeit bei Leopold Pfaundler 1906 Promotion sub auspiciis imperatoris 1906 – 1910 II. Physikalisches Institut der Universität Wien, Franz Serafin Exner 1910 Privatdozent 1910 – 1920 Assistent bei Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung in Wien und Honorardozent an der Tierärztlichen Hochschule in Wien 1912 Entdeckung der kosmischen Strahlung 1920 – 1925 Ao. Professor an der Universität Graz 1920 Heirat mit Maria Breisky, Witwe mit zwei Kindern 1921 – 1923 Aufenthalt an der United States Radium Corporation in New Jersey, USA 1925 – 1931 Professor für Experimentalphysik an der Universität Graz 1931 – 1937 Professor und Vorstand des Instituts für Strahlenforschung der Universität Innsbruck 1936 Nobelpreis für Physik, gemeinsam mit Carl David Anderson 1937 – 1938 Professor an der Universität Graz 1938 Emigration in die USA 1938 – 1958 Professor an der Fordham University in New York 1944 Amerikanische Staatsbürgerschaft 1964 Gestorben in Mt. Vernon, New York

Lebenslauf von Victor Franz Hess

Cosmic Ray developments after 1945

Primary cosmic ray (proton)

Picture from F. Close, M. Marten, and C. Sutton, The Particle Explosion, Oxford Univ. Press, 1987

The Legacy of Cosmic Rays

1947

Discovery of the Pion Lattes, Muirhead, Occhialini, and Powell, Processes involving charged mesons, Nature 159 (1947) 694-697. Discovery of the Kaon and Lamda Rochester & Butler, Evidence for the existence of new unstable elementary particles, Nature 160 (1947) 855-857.

Discovery of 14C Anderson, Libby, Weinhouse, Reid, Kirshenbaum, and Grosse, Natural radiocarbon from cosmic radiation, Physical Review 10 (1947) 931-936.

Willard F. Libby (1908-1980)

1960 Nobel Prize in Chemistry “for his method to use carbon-14 for age determination in archaeology,

geology, geophysics, and other branches of science“

1952

O3 + h O2 + O(1D) O(1D) + H2O 2OH•

OH•/O2 ~ 10-13!

12 April 2007 Age determinations by radiocarbon content: Checks with samples of known age

J. R. Arnold and W. F. Libby, Science 110 (1949) 678-680

14CO

14Ct = 14CO e- t

12,000 10,000 7500 5000 2500 0 Years before present

Reference value: 14C/12C = 1.2x10-12

Variation of the 14C content in tree rings of known age

Dendrochronology

Cosmogenic production rates of long-lived radioisotopes in the atmosphere

Radioisotope Half-life (years) Origin 3H 12 atmosphere 44Ti 60 meteorites 63Ni 100 meteorites 32Si 140 atmosphere 39Ar 269 atmosphere 14C 5 730 atmosphere

59Ni 75 000 moon, meteorites 41Ca 104 000 lithosphere, meteorites 81Kr 230 000 atmosphere

36Cl 301 000 atmosphere 26Al 720 000 atmosphere 60Fe 1 500 000 supernova 10Be 1 520 000 atmosphere 53Mn 3 600 000 meteorites 182Hf 8 900 000 supernova 129I 17 000 000 lithosphere, atmosphere 236U 23 000 000 lithosphere 244Pu 81 000 000 supernova

Radioisotopes measured with AMS

The seven domains of our physical world subject to isotope measurements

Atmosphere

(troposphere, stratosphere, trace gases) Biosphere

(all living matter, fauna, flora, humans)

Hydrosphere (oceans, lakes, rivers, groundwater, soil moisture)

Cryosphere (polar ice sheets, glaciers, perma frost)

Lithosphere (rocks, soil, mountains, sea floor, vulcanos)

Cosmosphere (meteorites, sun, planets, moon, cosmic rays)

Technosphere (all things containing man-made trace isotopes)

J.A. Simpson Elemental and isotopic composition of the Galactic Cosmic Rays Annual Review of Nuclear and Particle Science 33 (1983) 323-381

The high-energy frontier of Cosmic Rays

Cosmic ray air shower when a 1 TeV proton hits the air at about 20 km above ground. The ground map (Chicago lake front) is 8 x 8 km. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Protonshower.jpg

H. E. S. S. High Energy Steroscopic System

Namibia, Africa

The highest energies of cosmic rays Nagano & Watson, Observations and implications of ultra-high-energy cosmic rays,

Rev. Mod. Phys. 72 (2000) 689-732.

Figure from: P. Carlson, A Century of Cosmic Rays, PHYSICS TODAY, February 2012, 30-36

Conclusion From: P. Carlson, A Century of Cosmic Rays, PHYSICS TODAY, February 2012, 30-36