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 cargada de energía (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla gaseosa expulsando electrones de las moléculas de gas mediante fuerzas electrostáticas durante las colisiones, lo que da como resultado un rastro de partículas de gas ionizadas. Los iones resultantes actúan como centros de condensación alrededor de los cuales se forma un rastro de pequeñas gotas en forma de niebla 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 caen a través del vapor. Estas pistas tienen formas características. Por ejemplo, una trayectoria de partículas alfa es gruesa y recta, mientras que una trayectoria de partículas beta es tenue y muestra más evidencia de desviaciones por colisiones.
Las cámaras de niebla fueron inventadas a principios del siglo XX por el físico escocés Charles Thomson Rees Wilson . Desempeñaron un papel destacado en la física experimental de partículas desde los años 1920 hasta los años 1950, hasta la llegada de la cámara de burbujas . En particular, los descubrimientos del positrón en 1932 (ver Fig. 1) y del muón en 1936, ambos por Carl Anderson (premio Nobel de Física en 1936), utilizaron cámaras de niebla. 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 uno de estos casos, los rayos cósmicos fueron la fuente de radiación ionizante. Sin embargo, también se utilizaron con fuentes artificiales de partículas, por ejemplo en aplicaciones de radiografía como parte del Proyecto Manhattan . [2]
A Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959), 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 del 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 dichas cámaras. Continuó aplicando este descubrimiento y perfeccionó la primera cámara de niebla en 1911. En la cámara original de Wilson (ver Fig. 2), el aire dentro del dispositivo sellado estaba saturado con vapor de agua, luego se usaba un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara. ( expansión adiabática ), enfriando el aire y comenzando a condensar vapor de agua. De ahí que se utilice el nombre de cámara de niebla de expansión . [3] 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 recibió la mitad del Premio Nobel de Física en 1927 por su trabajo sobre la cámara de niebla (el mismo año en que Arthur Compton recibió la mitad del premio por el efecto Compton ). [4] Este tipo de cámara también se denomina cámara pulsada porque las condiciones de funcionamiento no se mantienen continuamente. 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 registrar las imágenes.
La cámara de niebla de difusión fue desarrollada en 1936 por Alexander Langsdorf . [5] 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 inferior a -26 °C (-15 °F). En lugar de vapor de agua se utiliza alcohol debido a su menor punto de congelación . Las cámaras de niebla enfriadas por hielo seco o enfriamiento termoeléctrico por efecto Peltier son dispositivos de demostración y aficionados comunes; el alcohol que se utiliza en ellos suele ser alcohol isopropílico o alcohol metilado . [6]
Aquí se analizarán las cámaras de niebla de tipo difusión. Una cámara de niebla simple consta de un entorno sellado, una placa superior cálida y una placa inferior fría (ver Fig. 3). 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.
Isopropanol , metanol u otro vapor de 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 ambiente 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 da como resultado una fuerza de atracción neta hacia una carga libre cercana (consulte la figura 4). El resultado es una formación parecida a una nube brumosa, que se ve por la presencia de gotas que caen hacia el condensador. Cuando las huellas se emiten desde una fuente, se puede determinar fácilmente su punto de origen. [7] La Fig. 5 muestra un ejemplo de una partícula alfa de una fuente tipo pin de Pb-210 sometida a dispersión de Rutherford .
Justo encima de la placa fría del condensador se encuentra un volumen de la cámara sensible a las pistas de ionización. El rastro iónico que dejan 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. [7] A menudo se utiliza un campo eléctrico fuerte para atraer huellas de nubes hacia 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 sobre el 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 y, por lo general, se necesita una fuente de luz tangencial para iluminar 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, según la ley de fuerza de Lorentz ; Sin embargo, es difícil lograr campos lo suficientemente fuertes con configuraciones de aficionados pequeños. Este método también se utilizó para demostrar la existencia del positrón en 1932, de acuerdo con la prueba teórica de Paul Dirac , publicada en 1928.
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 rastros de burbujas en un Líquido sobrecalentado, generalmente hidrógeno líquido . Las cámaras de burbujas pueden hacerse físicamente más grandes que las cámaras de niebla y, dado que están llenas de material líquido mucho más denso, revelan las huellas de partículas mucho más energéticas. Estos factores rápidamente convirtieron a la cámara de burbujas en el detector de partículas predominante durante varias décadas, de modo que las cámaras de niebla fueron efectivamente reemplazadas en la investigación fundamental a principios de la década de 1960. [8]
Una cámara de chispas es un dispositivo eléctrico que utiliza una rejilla de cables eléctricos sin aislamiento en una cámara, con altos voltajes aplicados entre los cables. Las partículas cargadas de energía provocan la ionización del gas a lo largo de la trayectoria 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. Luego se registra eléctricamente la presencia y ubicación de estas chispas y la información se almacena para su posterior análisis, por ejemplo mediante una computadora digital .
Se pueden observar efectos de condensación similares a las nubes de Wilson , también llamadas nubes de condensación, en grandes explosiones en aire húmedo y otros efectos de singularidad de Prandtl-Glauert .
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