Camara de Niebla

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La cámara de Wilson ( cámara de condensación, cámara de niebla ) es un detector de rastros de partículas cargadas rápidamente, que utiliza la capacidad de los iones para actuar como núcleos de gotas de agua en vapor sobresaturado sobreenfriado .

Para crear vapor sobreenfriado, se utiliza una expansión adiabática rápida , acompañada de una fuerte disminución de la temperatura.

Una partícula cargada rápidamente, moviéndose a través de una nube de vapor sobresaturado, la ioniza. El proceso de condensación de vapor ocurre más rápido en lugares donde se forman iones. Como resultado, donde ha volado una partícula cargada, se forma un rastro de gotas de agua, que se puede fotografiar. Es debido a este tipo de huellas que la cámara obtuvo su nombre en inglés: cámara de nube . 

Las cámaras de niebla generalmente se colocan en un campo magnético en el que se curvan las trayectorias de las partículas cargadas. La determinación del radio de curvatura de la trayectoria permite determinar la carga eléctrica específica de la partícula y, en consecuencia, identificarla.

La cámara fue inventada en 1912 por el físico escocés Charles Wilson . Por la invención de la cámara, Wilson recibió el Premio Nobel de Física de 1927 . En 1948 , Patrick Blackett recibió el Premio Nobel por la mejora de la cámara de niebla y las investigaciones realizadas con ella .

Historia

Ya en el último cuarto del siglo XIX, los trabajos de Coulier, Kissling y Aitken demostraron que el polvo juega un papel importante en la formación de la niebla . Al tratar de recrear este fenómeno natural en el laboratorio, los investigadores encontraron que la niebla no se forma en el aire purificado [1] . También se encontró que las gotas se forman precisamente alrededor de las partículas de polvo y tienen dimensiones del orden de sus tamaños. Esta fue la solución al problema señalado por Lord Kelvin , según el cual, a medida que una gota de agua crece, debe pasar por una etapa en la que tiene dimensiones comparables al tamaño de las moléculas, pero una gota de tales dimensiones se evapora tan rápidamente. que desaparezca.

En 1897, Wilson demostró que incluso en aire libre de polvo, se forma neblina al expandirse más de 1,37 veces. En este caso, al expandirse de 1,25 a 1,37 veces, solo se forman gotas individuales. En 1899, también descubrió que si se coloca una cierta cantidad de uranio en un tubo de rayos X , la niebla comienza a formarse incluso con una expansión de 1,25 [1] . Joseph Thomson demostró que los iones se convierten en los centros de condensación en estos casos .

Wilson también descubrió que es más probable que el agua se condense en iones cargados negativamente. Thomas Lebe examinó los vapores de otras sustancias y descubrió que todas las sustancias que probó (ácido acético, cloroformo, alcohol etílico, clorobenceno y otras) tienen la tendencia opuesta: los iones positivos provocan una condensación más rápida que los negativos [1] .

El primer detector de partículas cargadas, creado por Wilson en 1912, parecía un cilindro de vidrio con un diámetro de 16,5 cm y una altura de 3,5 cm. Dentro de la cámara había un recipiente en el que había un anillo de madera sumergido en agua. Debido a la evaporación de la superficie del anillo, la cámara se saturó con vapor. La cámara estaba conectada por un tubo con una válvula a un matraz del que se evacuaba el aire. Cuando se giraba la válvula, la presión caía, el aire se enfriaba y el vapor se saturaba , por lo que las partículas cargadas dejaban tiras de niebla detrás de ellas [2] . Al mismo tiempo, la cámara y las luces se encendieron.

La principal desventaja de la cámara fue el largo tiempo de su preparación para el trabajo. Para superar esta deficiencia, Takeo Shimizu [3] en 1921 creó una versión alternativa de la cámara, que estaba equipada con un pistón. Se movía continuamente, comprimiendo y expandiendo el aire, de modo que se podía tomar una fotografía cada pocos segundos. Sin embargo, el modelo de Shimizu no siempre podía proporcionar una buena calidad de imagen, porque el aire que contenía se expandía demasiado lentamente [1] .

En 1927, Pyotr Kapitsa y Dmitry Skobeltsin propusieron colocar la cámara en un fuerte campo magnético . Esto facilitó la separación de las huellas de partículas con carga positiva y negativa en las imágenes, así como la determinación de su relación masa-carga [4] .

En 1927, en un esfuerzo por combinar los mejores aspectos de cada modelo, Patrick Blackett modificó la cámara Shimizu añadiéndole un resorte, lo que proporcionó una fuerte expansión. En 1929, su modelo de cámara mejorado tomó más de 1200 disparos por día, cada uno mostrando docenas de rastros de partículas alfa. Fue Blackett quien primero tomó fotografías de la división de los núcleos de nitrógeno por partículas alfa.

En 1930, L. V. Mysovsky y R. A. Eichelberger realizaron experimentos con rubidio y se registró la emisión de partículas β en una cámara de niebla . Más tarde se descubrió la radiactividad natural del isótopo 87Rb [ 5 ] . En 1932,  KD Anderson descubrió un positrón en los rayos cósmicos.

En 1933, Wilson propuso un diseño de cámara diferente que utilizaba un diafragma de goma en lugar de un pistón [1] .

En el mismo año, Blackett y Giuseppe Occhialini desarrollaron una versión de la cámara que se expandía solo cuando se disparaban dos contadores, uno encima y otro debajo. Este cambio hizo posible aumentar significativamente la eficiencia de la cámara en caso de que deba capturar eventos raros como los rayos cósmicos . Blackett y Occhialini indican que el 80% de las fotografías obtenidas de esta forma contenían rastros de rayos cósmicos [1] .

En 1934, L. V. Mysovsky con M. S. Eigenson realizaron experimentos en los que, utilizando una cámara de niebla, se demostró la supuesta presencia de neutrones en la composición de los rayos cósmicos [5] . (Nota: el tiempo de vida de los neutrones libres (alrededor de 17 minutos) no les permite ser parte de los rayos cósmicos; solo pueden formarse en reacciones nucleares que involucran rayos cósmicos).

En 1952, la cámara de burbujas fue inventada por Donald Glaser , después de lo cual la cámara de niebla perdió importancia. La cámara de burbujas hizo posible registrar eventos con mayor precisión y frecuencia, y por lo tanto se convirtió en la principal herramienta para nuevas investigaciones.

Edificio

Por lo general, una cámara de niebla consta de un cilindro que contiene aire saturado de vapor y un pistón que puede moverse en este cilindro. Cuando se baja el pistón, el aire se enfría bruscamente y la cámara se vuelve adecuada para el trabajo. En otra versión más moderna, se utilizó un diafragma de goma en lugar de un pistón [1] . En este caso, la cámara tiene un fondo perforado, debajo del cual hay un diafragma, dentro del cual se bombea aire a presión. Luego, para comenzar a trabajar, solo necesita liberar aire del diafragma a la atmósfera o un recipiente especial. Estas cámaras son más baratas, más fáciles de usar y se calientan menos durante el funcionamiento.

Para partículas de baja energía, la presión del aire en la cámara se reduce por debajo de la presión atmosférica, mientras que para fijar partículas de alta energía, por el contrario, se bombea aire a la cámara a una presión de decenas de atmósferas. La cámara se llena con vapor de agua y alcohol etílico y se eliminan los núcleos de condensación para evitar una condensación prematura, resultando un vapor sobresaturado , listo para formar pistas sobre él. Esta mezcla se utiliza debido al hecho de que el vapor de agua se condensa mejor en iones negativos y el vapor de etanol en iones positivos [2] .

El tiempo de funcionamiento activo de la cámara dura desde centésimas de segundo hasta varios segundos, pasando desde la expansión del aire hasta que la cámara se llena de niebla, después de lo cual la cámara se limpia y se puede reiniciar. Un ciclo completo de uso suele ser de aproximadamente un minuto [2] . La fuente de radiación se puede colocar dentro de la cámara o fuera de ella. En este caso, las partículas ingresan a la cámara a través de una pantalla transparente.

Uso

La importancia de la cámara de niebla para la física de partículas elementales difícilmente puede sobreestimarse: durante décadas fue la única forma efectiva de observar directamente las huellas de las partículas elementales. Con su ayuda, se descubrieron el positrón y el muón , y también se estudiaron las reacciones nucleares de las partículas alfa con los átomos de nitrógeno [6] . Después de la invención de la cámara de burbujas y chispas , la importancia de la cámara de niebla comenzó a disminuir, sin embargo, debido a su costo significativamente menor en comparación con los detectores más avanzados, todavía se usa en algunas industrias.

Ionización específica

La ionización específica es el número de pares de iones creados por una partícula cuando vuela a través de una sustancia por unidad de distancia. En este caso, los electrones eliminados de los átomos pueden tener suficiente energía para ionizar otros átomos. Este fenómeno se llama ionización secundaria. En una cámara de niebla, tales electrones se verán como una rama de la trayectoria principal de la partícula, o simplemente como grupos de vapor (si la energía de los electrones no es muy alta). Si bien la ionización específica se puede calcular de muchas maneras (por ejemplo, utilizando un contador Geiger), la cámara de niebla es el método más simple para separar la ionización primaria y secundaria [1] .

Kilometraje

La longitud de la trayectoria de una partícula en una sustancia es un indicador importante y debe conocerse para la protección radiológica. La cámara de niebla le permite medir tanto la corrida promedio como la distribución de corridas [1] . Con la ayuda de estos datos es posible determinar con precisión tanto la energía de la partícula como el espesor de la capa protectora que bloquea este tipo de radiación.

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LA CÁMARA DE WILSON Y SUS APLICACIONES EN LA FÍSICA Archivado el 11 de agosto de 2017 en Wayback Machine  (ruso)
  2. ↑ 1 2 3 Cámara de niebla Archivado el 27 de enero de 2021 en Wayback Machine  (ruso)
  3. ↑ La cámara de niebla y sus metamorfosis . Archivado el 1 de mayo de 2021 en Wayback Machine . 
  4. ↑ Cámara de nubes Archivado el 2 de julio de 2013 en Wayback Machine  (ruso)
  5. ↑ 1 2 Meshcheryakov M. G. , Perfilov N. A. En memoria de Lev Vladimirovich Mysovsky (Con motivo de su setenta cumpleaños)  // Número de UFN: Colección de UFN. - M. , 1963. - Edición. noviembre _
  6. ↑ Fundamentos de física nuclear. Tecnología nuclear Archivado el 1 de mayo de 2021 en Wayback Machine  (ruso)

Literatura

Enlaces externos

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