Compartimiento de nube

Compartimiento de nube con pistas visibles de radiaciones ionizantes (corto, grueso: α-partículas, larga, fina: partículas β). Véase también Versión animada

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Video de una nube de cámaras en acción

El compartimiento de nube, también conocido como el Cámara de Wilson, es un detector de la partícula utilizado para la detección de radiaciones ionizantes.

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Una cámara de niebla casera

Imagen tomada en el Pic du Midi a 2877 m en un compartimiento de nube Phywe PJ45 (tamaño de la superficie es de 45 x 45 cm). Esta rara imagen muestra en un solo tiro las 4 partículas que son detectables en un compartimiento de nube: protón, electrón, muon (probablemente) y alfa

En su forma más básica, una cámara de niebla es un entorno sellado que contiene un sobresaturado vapor de agua o alcohol. Cuando una partícula cargada (por ejemplo, un alfa o partícula beta) interactúa con la mezcla, el líquido está ionizado. La resultante iones actúan como núcleos de condensación, en que se forma una niebla (porque la mezcla está a punto de condensación). Las altas energías de alfa y partículas beta significan que se deja un rastro, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de la trayectoria de la partícula cargada. Estas pistas tienen formas distintivas (por ejemplo, la pista de una partícula alfa es amplio y recto, mientras que un electrón es más delgado y más evidencias de la desviación por colisiones). Cuando cualquier uniforme campo magnético se aplica a través de la cámara de niebla, positivamente y negativamente las partículas cargadas se curva en direcciones opuestas, según la Ley de la fuerza de Lorentz con dos partículas de carga opuesta.

Compartimientos de nube desempeñó un papel prominente en la física de partículas experimental desde la década de 1920 a la década de 1950, hasta el advenimiento de la cámara de burbujas. En particular, los descubrimientos de la positrón en 1932, el muon en 1936, tanto por Carl Anderson (galardonado con un Premio Nobel de física en 1936) y la Kaon en 1947 (descubierto por George Rochester y Mayordomo de Charles Clifford) se hicieron con compartimientos de nube como detectores. Anderson detectó el positrón y el muon en rayos cósmicos.

Invención

Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959), un Escocés físico, se acredita con inventar el compartimiento de nube. Inspirado por los avistamientos de la Espectro de Brocken mientras trabajaba en la Cumbre de Ben Nevis en 1894, comenzó a desarrollar cámaras de expansión para el estudio de la formación de nubes y fenómenos ópticos en el aire húmedo. Muy rápidamente descubrió que los iones podrían actuar como centros para la formación de gotas de agua en estas cámaras. Persigue la aplicación de este descubrimiento y perfeccionó la primera cámara de nube en 1911. En la cámara original de Wilson el aire dentro del dispositivo de sellado fue saturado con vapor de agua, luego se utilizó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (adiabático la extensión), el aire y comienza a condensar agua vapor. Cuando una partícula ionizante pasa a través de la cámara, 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 el compartimiento de nube. Este tipo de cámara también se llama un Cámara de pulsado porque no se mantienen continuamente las condiciones de operación. Otros progresos fueron hechos por Patrick Blackett que utiliza un resorte rígido para expandir y comprimir la cámara muy rápidamente, haciendo la cámara sensible a las partículas varias veces por segundo. A película de cine se utilizó para grabar las imágenes.

El cámara de niebla de difusión fue desarrollado en 1936 por Alexander Langsdorf. Esta cámara se diferencia de la cámara de niebla de expansión en que continuamente es sensible a la radiación, y en que el fondo debe refrigerarse a una temperatura más bien baja, generalmente tan fría como −26 ° C (−15 ° F). En lugar de vapor de agua, alcohol se utiliza debido a su baja punto de congelación. Compartimientos de nube refrigerados por hielo seco son una manifestación común y dispositivo de aficionado; el alcohol utilizado en ellos es comúnmente alcohol isopropílico o alcohol de quemar. También hay compartimientos de nube de difusión refrigerada por agua, utilizando glicol de etileno.

Ejemplo de compartimiento de nube termoeléctrica refrigerado por agua

Estructura y funcionamiento

Compartimiento de nube fotografías de los primeros positrón jamás observado

Una simple cámara de nube consiste en el ambiente cerrado, radiactivo de la fuente (opcionalmente), hielo seco o una placa fría y algún tipo de fuente de alcohol (tiene que permitir fácil evaporación).

Partículas alfa de una fuente de radio en un compartimiento de nube

Decaimiento del radón-220 en un compartimiento de nube

Metanol vapor satura la cámara. El alcohol cae como se enfría y el frío condensador proporciona un escarpado gradiente de la temperatura. El resultado es un ambiente sobresaturado. El vapor de alcohol se condensa alrededor de ion senderos dejados por las partículas ionizantes que viaja. El resultado es la formación de las nubes, vista en el compartimiento de nube por la presencia de gotas cayendo en el condensador. Como las partículas pasan a través de dejan rastros de la ionización y porque el vapor de alcohol es sobresaturado se condensa en estos senderos. Puesto que las pistas salen radialmente hacia fuera desde la fuente, fácilmente se puede determinar su punto de origen.

Justo por encima de la placa del condensador frío hay una zona de la cámara que es sensible a temas radiactivos. A esta altura, no ha condensado la mayor parte del alcohol. Esto significa que el rastro de iones por las partículas radiactivas proporciona una activación óptima para la formación de condensación y nubes. Esta área sensible se incrementa en altura mediante el empleo de un escarpado gradiente de la temperatura, convección poco y condiciones muy estables. Un campo eléctrico fuerte a menudo se utiliza para dibujar las pistas de la nube hasta la región sensible de la cámara y aumentar la sensibilidad de la cámara. Mientras que aún se pueden ver pistas de fuentes sin una fuente de voltaje, pistas de fondo son muy difíciles de observar. Además, la tensión también puede servir para evitar que grandes cantidades de "lluvia" oscurecimiento de la región sensible de la cámara, causada por la condensación que se forma sobre el área sensible de la cámara. Esto significa que senderos de ion por partículas radiactivas son oscurecidas por precipitación constante. El fondo negro hace más fácil observar las pistas de la nube.

Partículas alfa y electrones (desviados por un campo magnético) de una barra de torio en un compartimiento de nube

Radiactividad de un mineral de Thorite visto en un compartimiento de nube

Antes de pistas pueden ser visibles, se necesita una fuente de luz tangencial. Esto ilumina las gotas blancas contra el fondo negro. Las gotas deben ser vistas desde una posición horizontal. Si la cámara está funcionando correctamente, puede considerarse pequeñas gotas de condensación. A menudo esta condensación no es aparente hasta que se forma una piscina de poca profundidad de alcohol en la placa del condensador. Las pistas se convierten en mucho más obvias una vez que las temperaturas y las condiciones se han estabilizado en la cámara. Esto requiere la eliminación de cualquier corrientes de deriva significativa (sellado de cámara de pobres).

Otros detectores de la partícula

El cámara de burbujas fue inventado por Donald A. Glaser de los Estados Unidos en 1952 y para esto, recibió el Premio Nobel de física en 1960. La cámara de burbujas del mismo modo revela las huellas de las partículas subatómicas, pero como senderos de burbujas en un líquido sobrecalentado, generalmente hidrógeno líquido. Cámaras de burbuja puede hacerse físicamente más grandes que compartimientos de nube, y ya que están llenos de material líquido muy denso, que revelan las huellas de partículas mucho más energéticas. Estos factores rápidamente hicieron la burbuja el detector de partículas predominantes del compartimiento para un número de décadas, para que compartimientos de nube fueron reemplazados con eficacia en la investigación fundamental al comienzo de la década de 1960.

Los más nuevos cámara de chispa es un dispositivo eléctrico que utiliza una red de cables eléctricos sin aislar en una cámara, con voltajes entre los cables. Microscópico de las partículas cargadas causar algunos ionización del aire a lo largo de la trayectoria de la partícula, y esta ionización produce chispas volar entre los cables asociados. La presencia y ubicación de estas chispas se registra luego eléctricamente, y la información se almacena para su posterior análisis, como por un ordenador digital.

Efectos similares de condensación se pueden observar como Nubes de Wilson, también llamado nubes de condensación, en grandes explosiones en el aire húmedo y otros Singularidad de Prandtl-Glauert efectos.

Véase también

• Emulsiones nucleares -también se usa para registrar e investigar rápidamente las partículas cargadas
• Cámara de burbujas
• Cámara de chispa
• Laboratorio de energía atómica Gilbert U-238 kit de ciencia para niños (1950 – 1951)
• Estela de vapor

Referencias

• Das Gupta, N. N.; Ghosh S. K. (1946). "Un informe en el compartimiento de nube de Wilson y sus aplicaciones en la física". Comentarios de la física moderna. 18 (2): 225 – 365. Bibcode:1946RvMP... 18..225G. doi:10.1103/RevModPhys.18.225. 

Acoplamientos externos

• Muchas fotos de experiencias y la interacción nuclear
• Video de una cámara de niebla con fuentes radiactivas
• Video de demostración de un compartimiento de nube, Peter Wothers, Institución real, De diciembre de 2012
• Cámara de niebla de difusión. PHYWE internacional
• "Compartimientos de nube". Archivado de el original en 30 de junio de 2008. 
• Instrucciones de la cámara de niebla de difusión
• Richard A. Muller muestra una nube de cámaras en conferencia (26 minutos en la película)
• Pistas de radiación en compartimientos de nube

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