Una cámara de niebla , también conocida como cámara de niebla de Wilson , es un detector de partículas que se utiliza para visualizar el paso de la radiación ionizante .
Una cámara de niebla consiste en un ambiente sellado que contiene un vapor sobresaturado de agua o alcohol . Una partícula con carga energética (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla gaseosa expulsando electrones de las moléculas de gas a través de fuerzas electrostáticas durante las colisiones, lo que da como resultado un rastro de partículas de gas ionizado. Los iones resultantes actúan como centros de condensación.alrededor del cual se forma un rastro parecido a una niebla de pequeñas gotas si la mezcla de gases está en el punto de condensación. Estas gotas son visibles como un rastro de "nube" que persiste durante varios segundos mientras las gotas caen a través del vapor. Estas pistas tienen formas características. Por ejemplo, una pista de partículas alfa es gruesa y recta, mientras que una pista de electrones es tenue y muestra más evidencia de desviaciones por colisiones.
Las cámaras de nubes desempeñaron un papel destacado en la física experimental de partículas desde la década de 1920 hasta la de 1950, hasta el advenimiento de la cámara de burbujas . En particular, los descubrimientos del positrón en 1932 (ver Fig. 1) y el muón en 1936, ambos por Carl Anderson (galardonado con el Premio Nobel de Física en 1936), utilizaron cámaras de nubes. El descubrimiento del kaon por George Rochester y Clifford Charles Butler en 1947 también se realizó utilizando una cámara de niebla como detector. [1] En cada caso, los rayos cósmicos fueron la fuente de radiación ionizante.
Invención
A Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959), un físico escocés , se le atribuye la invención de la cámara de niebla. Inspirado por los avistamientos del espectro de Brocken mientras trabajaba en la cima de Ben Nevis en 1894, comenzó a desarrollar cámaras de expansión para estudiar la formación de nubes y los fenómenos ópticos en el aire húmedo. Muy rápidamente descubrió que los iones podían actuar como centros para la formación de gotas de agua en tales cámaras. Prosiguió la aplicación de este descubrimiento y perfeccionó la primera cámara de niebla en 1911. En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado estaba saturado con vapor de agua, luego se usó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara ( expansión adiabática ), enfriando el aire y comienza a condensar el vapor de agua. De ahí que se utilice el nombre de cámara de niebla de expansión . Cuando una partícula ionizante pasa a través de la cámara, el vapor de agua se condensa en los iones resultantes y el rastro de la partícula es visible en la nube de vapor. Wilson, junto con Arthur Compton , recibió el Premio Nobel de Física en 1927 por su trabajo en la cámara de niebla. [2] Este tipo de cámara también se denomina cámara pulsada porque las condiciones de funcionamiento no se mantienen de forma continua. Patrick Blackett realizó más desarrollos y utilizó un resorte rígido para expandir y comprimir la cámara muy rápidamente, haciendo que la cámara fuera sensible a las partículas varias veces por segundo. Se utilizó una película de cine para grabar las imágenes.
La cámara de niebla de difusión fue desarrollada en 1936 por Alexander Langsdorf . [3] Esta cámara se diferencia de la cámara de niebla de expansión en que está continuamente sensibilizada a la radiación y en que el fondo debe enfriarse a una temperatura bastante baja, generalmente más fría que -26 ° C (-15 ° F). En lugar de vapor de agua, se usa alcohol debido a su punto de congelación más bajo . Las cámaras de nubes enfriadas por hielo seco o enfriamiento termoeléctrico de efecto Peltier son dispositivos de demostración y aficionados comunes; el alcohol usado en ellos es comúnmente alcohol isopropílico o alcohol metilado .
Estructura y funcionamiento
Las cámaras de nubes de tipo difusión se discutirán aquí. Una cámara de niebla simple consiste en el ambiente sellado, una placa superior caliente y una placa inferior fría (Ver Fig. 2). Requiere una fuente de alcohol líquido en el lado cálido de la cámara donde el líquido se evapora, formando un vapor que se enfría a medida que cae a través del gas y se condensa en la placa inferior fría. Se necesita algún tipo de radiación ionizante.
El vapor de metanol , isopropanol u otro alcohol satura la cámara. El alcohol cae a medida que se enfría y el condensador frío proporciona un gradiente de temperatura pronunciado. El resultado es un entorno sobresaturado. A medida que las partículas cargadas de energía pasan a través del gas, dejan rastros de ionización. El vapor de alcohol se condensa alrededor de los rastros de iones gaseosos que dejan las partículas ionizantes. Esto ocurre porque las moléculas de alcohol y agua son polares, lo que resulta en una fuerza de atracción neta hacia una carga libre cercana. El resultado es una formación similar a una nube brumosa, que se ve por la presencia de gotas que caen hacia el condensador. Cuando las pistas se emiten radialmente hacia afuera desde una fuente, su punto de origen se puede determinar fácilmente. [4] (Consulte la Fig. 3, por ejemplo).
Justo encima de la placa del condensador frío hay un volumen de la cámara que es sensible a las pistas de ionización. El rastro de iones dejado por las partículas radiactivas proporciona un desencadenante óptimo para la condensación y la formación de nubes. Este volumen sensible aumenta en altura empleando un gradiente de temperatura pronunciado y condiciones estables. [4] A menudo se usa un campo eléctrico fuerte para dibujar huellas de nubes hasta la región sensible de la cámara y aumentar la sensibilidad de la cámara. El campo eléctrico también puede servir para evitar que grandes cantidades de "lluvia" de fondo oscurezcan la región sensible de la cámara, causada por la condensación que se forma por encima del volumen sensible de la cámara, oscureciendo así las pistas por la precipitación constante. Un fondo negro facilita la observación de las huellas de las nubes. [4] Normalmente, se necesita una fuente de luz tangencial. Esto ilumina las gotas blancas sobre el fondo negro. A menudo, las huellas no son evidentes hasta que se forma un charco poco profundo de alcohol en la placa del condensador.
Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de niebla, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz ; Sin embargo, los campos lo suficientemente fuertes son difíciles de lograr con configuraciones pequeñas para aficionados.
Otros detectores de partículas
La cámara de burbujas fue inventada por Donald A. Glaser de los Estados Unidos en 1952, y por ello, recibió el Premio Nobel de Física en 1960. La cámara de burbujas revela de manera similar las huellas de partículas subatómicas, pero como huellas de burbujas en un líquido sobrecalentado, generalmente hidrógeno líquido . Las cámaras de burbujas pueden hacerse físicamente más grandes que las cámaras de nubes y, dado que están llenas de material líquido mucho más denso, revelan las huellas de partículas mucho más energéticas. Estos factores convirtieron rápidamente a la cámara de burbujas en el detector de partículas predominante durante varias décadas, por lo que las cámaras de nubes fueron reemplazadas efectivamente en la investigación fundamental a principios de la década de 1960. [5]
Una cámara de chispas es un dispositivo eléctrico que utiliza una rejilla de cables eléctricos no aislados en una cámara, con altos voltajes aplicados entre los cables. Las partículas cargadas energéticamente causan la ionización del gas a lo largo del camino de la partícula de la misma manera que en la cámara de niebla de Wilson, pero en este caso los campos eléctricos ambientales son lo suficientemente altos como para precipitar la descomposición del gas a gran escala en forma de chispas en el posición de la ionización inicial. La presencia y ubicación de estas chispas se registra luego eléctricamente y la información se almacena para un análisis posterior, por ejemplo, mediante una computadora digital .
Se pueden observar efectos de condensación similares como nubes de Wilson , también llamadas nubes de condensación, en grandes explosiones en aire húmedo y otros efectos de singularidad de Prandtl-Glauert .
Ver también
- Emulsión nuclear : también se utiliza para registrar e investigar partículas cargadas rápidamente.
- Cámara de burbujas
- Cámara de chispas
- Kit científico de laboratorio de energía atómica Gilbert U-238 para niños (1950-1951)
- Estela
Notas
- ^ "El Premio Nobel de Física 1936" . Nobelprize.org . Consultado el 7 de abril de 2015 .
- ^ "El Premio Nobel de Física 1927" . www.nobelprize.org . Consultado el 7 de abril de 2015 .
- ^ Frisch, Oregón (22 de octubre de 2013). Progreso en Física Nuclear, Banda 3 . pag. 1. ISBN 9781483224923.
- ^ a b c Zani, G. Departamento de Física, Universidad de Brown, RI EE. UU. “Cámara de nubes de Wilson” . Actualizado 13/05/2016.
- ^ "El Premio Nobel de Física 1960" . www.nobelprize.org . Consultado el 7 de abril de 2015 .
Referencias
- Das Gupta, NN; Ghosh SK (1946). "Un informe sobre la cámara Wilson Cloud y sus aplicaciones en física". Reseñas de Física Moderna . 18 (2): 225–365. Código Bibliográfico : 1946RvMP ... 18..225G . doi : 10.1103 / RevModPhys.18.225 .
enlaces externos
- YouTube: "Una cámara de nubes de difusión"
- Muchas imágenes de interacciones y experiencias nucleares [ enlace muerto permanente ]
- Video de una cámara de niebla con fuentes radiactivas.
- Video de demostración de una cámara de niebla , Peter Wothers , Royal Institution , diciembre de 2012
- "Cámaras en la nube" . Archivado desde el original el 30 de junio de 2008.
- Instrucciones de la cámara de niebla de difusión
- "Cámara de niebla utilizada en la enseñanza de la física"
- Cámara de nube de difusión termoeléctrica
- "> Reproducir medios
Una cámara de nubes hecha en casa.
Imagen tomada en el Pic du Midi a 2877 m en una cámara de niebla Phywe PJ45 (el tamaño de la superficie es de 45 x 45 cm). Esta rara imagen muestra en una sola toma las 4 partículas que son detectables en una cámara de niebla: protón, electrón, muón (probablemente) y alfa.
Cámara de nubes con huellas visibles de radiación ionizante (corta, gruesa: partículas α; larga, delgada: partículas β). Ver también versión animada
Video de una cámara de nubes en acción
Ejemplo de cámara de niebla termoeléctrica refrigerada por agua
Cámara de nubes con huellas de nubes creadas por partículas de radiación ionizante (Imagen tomada después de la inyección de radón )
Partículas alfa de una fuente de radio en una cámara de niebla
Desintegración del radón-220 en una cámara de niebla
Partículas alfa y electrones (desviados por un campo magnético) de una barra de torio en una cámara de niebla
Radiactividad de un mineral de Thorita visto en una cámara de niebla
Cámara de nube de difusión con depurador de iones de 4,6 kV
Cámara de nube de difusión TEC / refrigerada por agua (5 etapas) elaborada en casa
