Wilson, Charles Thomson Rees

CHARLES THOMSON REES WILSON (Bild 1) lebte in einer Zeit, die durch erhebliche Umbrüche in der Physik und anderen Naturwissenschaften geprägt war. Das Jahr 1900 war die Geburtsstunde der Quantentheorie. ALBERT EINSTEIN (1879-1951) entwickelte Anfang des 20. Jahrhunderts die Relativitätstheorie. Entdeckt wurden eine Reihe neuer Arten von Strahlung: W. C. RÖNTGEN (1845-1923) fand 1895 die Röntgenstrahlen. Wenig später entdeckte A. H. BECQUEREL (1852-1908) die radioaktive Strahlung, die insbesondere durch MARIE CURIE (1867-1934) und ihren Ehemann PIERRE CURIE (1859-1906) genauer erforscht wurde.

Kindheit, Jugend und Ausbildung
CHARLES THOMSON REES WILSON wurde am 14. Februar 1869 auf dem Bauernhof Crosshouse in Glencorse nahe der schottischen Hauptstadt Edinburgh geboren. Sein Vater JOHN WILSON und seine Vorfahren waren schon seit mehreren Generationen als Landwirte tätig.
Im Alter von vier Jahren verlor WILSON seinen Vater und seine Mutter zog mit der Familie nach Manchester.
Dort ging WILSON zunächst auf eine Privatschule. Da es an dieser Schule aber keinen Unterricht in naturwissenschaftlichen Fächern gab, wechselte er im Alter von 15 Jahren an ein College in Manchester. Insbesondere beschäftigte er sich mit medizinischen und naturwissenschaftlichen Problemen, vor allem auch der Meteorologie. Nach Abschluss seines Studiums in Cambridge im Jahre 1892 arbeitete er einige Zeit als Physiklehrer und Meteorologe und war ab 1900 als Dozent für Physik am Sussex-College tätig. Ab 1918 arbeitete er am Cavendish-Laboratory in Cambridge, von 1925-1934 als Professor für Naturphilosophie.

Hochschullehrer und Forscher
WILSON widmete sich vor allem meteorologischen Forschungen. Insbesondere beschäftigte er sich mit der Kondensation und der Wolkenbildung. So war er unter anderem als Meteorologe auf dem höchsten Berg Schottlands, dem Ben Nevis, tätig. Er berichtete später über "die wundervollen optischen Phänomene", die sich ihm boten, "als die Sonne die Wolken beschien, die den Berggipfel einhüllten". Besonders beeindruckten ihn die farbigen Ringe (Koronen) um die Sonne und um die Schatten vom Berg und von ihm selbst, die auf die Nebel und Wolken fielen. Er nannte sie Glories, auf deutsch Heiligenscheine. Diese Beobachtungen und Erlebnisse ließen in WILSON den Wunsch aufkommen, die beobachteten Naturphänomene im Labor nachzuahmen und genauer zu erforschen.
Um im Labor Wolken herstellen zu können, entwickelte er die 1880 vom schottischen Ingenieur JOHN AITKEN angegebene Methode zur Expansion feuchter Luft weiter. AITKEN hatte festgestellt, dass Luft Staubkörner enthalten muss, damit sich Wolken bilden können. Aber als WILSON die Experimente wiederholte, entdeckte er, dass sich auch in staubfreier feuchter Luft beim Expandieren immer wieder Wolken bilden.
Er veröffentlichte 1895 seine Ergebnisse und konnte bald nachweisen, dass sich die Wolken an sogenannten Kondensationskeimen, die in der Luft enthalten sein mussten, bildeten. Diese Keime waren die Ionen, die sich aufgrund der natürlichen Luftelektrizität in der Luft befanden. Damit hatte er eine wichtige Grundlage für die Wirkungsweise der später von ihm entwickelten Nebelkammer entdeckt.

Neben den Arbeiten an der Nebelkammer (Bild 2), die er ständig weiter fortsetzte, war er weiter als Hochschullehrer tätig. Als solcher war er bekannt dafür, dass er seinen Unterricht durch interessante Projekte auflockerte, was für die Studenten motivierender und lohnender war als der stereotype Unterricht an anderen Einrichtungen. Über seine Art, die Vorlesungen zu halten, schrieb der Physiker LAWRENCE BRAGG (1890-1971), der bei ihm studierte:

"Seine Darstellungsweise war nicht immer ideal, die Tafel verstand manchmal mehr als wir. Doch seine Art, die Probleme zu betrachten war faszinierend und ich gebe zu, dass ich seine Aufzeichnungen seitdem auch für mich selbst benutze."

In der Forschung widmete sich WILSON vor allem Problemen der luftelektrischen Erscheinungen, der elektrischen Leitfähigkeit der Luft und der Gewitterelektrizität.
1934 trat WILSON in den Ruhestand und kehrte 1936 in seine schottische Heimat zurück. In Edinburgh setzte er seine Forschungen zur Gewitterelektrizität fort. 1955 bekamen Meteorologiestudenten der dortigen Universität von der Royal Air Force das Angebot, zu Studienzwecken an Flügen teilzunehmen. Diese Gelegenheit wollte auch WILSON nutzen. Im Alter von 86 Jahren konnte er endlich das Innere einer Gewitterwolke, das er viele Jahre lang studiert hatte, sehen.

Die Nebelkammer - seine bedeutendste wissenschaftliche Leistung
C.T.R. WILSON ist vor allem bekannt durch die von ihm konstruierte Nebelkammer. ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) beschrieb sie als "das wunderbarste Instrument der Wissenschaftsgeschichte".
Die wilsonsche Nebelkammer ermöglichte es erstmals, die Bahnen ionisierender Teilchen sichtbar zu machen. Sie war etwa 40 Jahre lang die einzige Möglichkeit, radioaktive Strahlung, insbesondere die Alpha- und Betastrahlung, optisch sichtbar nachzuweisen und ihre Eigenschaften genauer zu untersuchen.
Die Idee für die Nebelkammer kam WILSON wahrscheinlich im Zusammenhang mit seinen oben beschriebenen Arbeiten zur Kondensation und zur Entstehung von Wolken. Sein besonderer Verdienst besteht darin, dass er seine Erkenntnisse auf das Problem radioaktiver Strahlung übertrug und mit der Nebelkammer 1911 ein wichtiges Nachweisgerät für Alpha- und Betastrahlung entwickelte. Er hatte seine Apparatur so weit perfektioniert, dass es ihm möglich war, die Spuren einzelner Alpha- und Betateilchen zu sehen und zu fotografieren (Bilder 3). Für eine ausführliche Veröffentlichung ließ er sich aber 12 Jahre Zeit.
Bis 1935 arbeitete WILSON ständig an der Verbesserung seiner Nebelkammer. Das ursprüngliche Modell spendete er dem Museum des Cavendish-Laboratoriums in Cambridge.

Das Prinzip der wilsonschen Nebelkammer, die nach ihrer Funktionsweise auch als Expansionsnebelkammer bezeichnet wird, ist folgendes: Eine Kammer (meist zylinderförmig) mit einer oben durchsichtigen Platte und einem dunklen Boden ist mit gesättigtem Wasser-Propanol-Dampf gefüllt. In der Kammer ist ein radioaktives Präparat angebracht. Die Kammer wird seitlich beleuchtet. Den Boden des Gefäßes bildet ein beweglicher Kolben. Wird dieser Kolben schnell nach unten bewegt, so vergrößert sich das Volumen und die Temperatur sinkt unter den Kondensationspunkt. Es bildet sich übersättigter Dampf, der zu Nebeltröpfchen kondensiert, wenn Kondensationskeime vorhanden sind. Fliegen geladene Teilchen durch den Dampf, so wird durch deren elektrische Ladung eine Nebelbildung hervorgerufen. Für den Bruchteil einer Sekunde bilden sich perlschnurartige Kondensationsbahnen, die bei seitlicher Beleuchtung vor dunklem Hintergrund als Spuren sichtbar sind. Fotografien solcher Spuren (Bild 3) können dann physikalisch ausgewertet werden. Bringt man an der Kammer ein Magnetfeld definierter Stärke an, dann kann man aus der Krümmung der Spuren die Art der Ladung und die Energie bestimmen.

In den folgenden Jahren wurde die wilsonsche Nebelkammer zu einem wichtigen physikalischen Hilfsmittel. So gelang es 1929 dem russischen Physiker SKOBELZYN, kosmische Strahlung mit einer Nebelkammer nachzuweisen. CARL DAVID ANDERSON wies mit ihr 1932 die Existenz des Positrons nach und erhielt dafür 1936 den Nobelpreis für Physik.
Die wilsonsche Nebelkammer wurde später zur kontinuierlich arbeiteten Diffusionsnebelkammer und 1952 von DONALD ARTHUR GLASER (Nobelpreis 1960) zur Blasenkammer weiterentwickelt. Heute besitzt die wilsonsche Nebelkammer nur noch wissenschaftshistorische Bedeutung.

Schon zu Lebzeiten wurde C.T.R. WILSON für seine wissenschaftlichen Leistungen, insbesondere für die Entwicklung der Nebelkammer, geehrt. Die Royal Society verlieh ihm 1911 die Hughess-Medaille, 1922 die Königliche Medaille und 1935 die Copley-Medaille.
1927 erhielt WILSON für seine Arbeiten zur Nebelkammer den Nobelpreis für Physik, musste ihn sich aber mit A.H. COMPTON (1892-1962) teilen, der ihn für die Entdeckung des nach ihm benannten Effektes erhielt.
Der britische Physiker PATRICK BLACKETT, der 1948 den Nobelpreis Physik für die Weiterentwicklung der wilsonschen Nebelkammer bekam, beschrieb WILSON als "zuvorkommenden, heiteren Menschen, gleichgültig gegenüber Prestige und Ehre. Ein Mann, dessen Arbeit von der Liebe zur Natur und der Freude an deren Schönheit geprägt war."
CHARLES THOMSON REES WILSON starb am 15. November 1959 nach kurzer Krankheit im Kreise seiner Familie.