cámara de niebla

Una cámara de niebla , también conocida como cámara 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 entorno sellado que contiene un vapor sobresaturado ^{[ 1 ]} de agua o alcohol . Una partícula cargada energética (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla gaseosa arrancando electrones de las moléculas de gas mediante fuerzas electrostáticas durante las colisiones, lo que da como resultado una estela de partículas de gas ionizadas. Los iones resultantes actúan como centros de condensación alrededor de los cuales se forma una estela de pequeñas gotitas si la mezcla de gas está en el punto de condensación. Estas gotitas son visibles como una estela de "nube" que persiste durante varios segundos mientras las gotitas caen a través del vapor. Estas estelas tienen formas características. Por ejemplo, la estela de una partícula alfa es gruesa y recta, mientras que la de una partícula 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 . Desempeñó un papel destacado en la física experimental de partículas desde la década de 1920 hasta la de 1950, hasta la llegada de la cámara de burbujas . En particular, los descubrimientos del positrón en 1932 (véase la figura 1) y del muón en 1936, ambos por Carl Anderson (galardonado con el Premio Nobel de Física en 1936), utilizaron cámaras de niebla. El descubrimiento del kaón por George Rochester y Clifford Charles Butler en 1947 se realizó utilizando una cámara de niebla como detector. ^{[ 2 ]} 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 . ^{[ 3 ]}

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. 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, el aire dentro del dispositivo sellado se saturaba con vapor de agua; luego, se utilizaba un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara ( expansión adiabática ), enfriándolo y comenzando a condensar el vapor de agua. De ahí el nombre de cámara de nube de expansión . ^{[ 4 ]} Cuando una partícula ionizante pasa a través de la cámara, el vapor de agua se condensa sobre los iones resultantes y la estela de la partícula es visible en la nube de vapor. Se utilizaba una película de cine para registrar las imágenes.

Patrick Blackett realizó avances adicionales utilizando un resorte rígido para expandir y comprimir la cámara con gran rapidez, lo que la hacía sensible a las partículas varias veces por segundo. Este tipo de cámara también se denomina cámara pulsada, ya que las condiciones de funcionamiento no se mantienen de forma continua.

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 ). ^{[ 5 ]}

La cámara de niebla de difusión fue desarrollada en 1936 por Alexander Langsdorf . ^{[ 6 ]} Esta cámara se diferencia de la cámara de niebla de expansión en que está continuamente sensibilizada a la radiación y en que la parte inferior 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 con hielo seco o enfriamiento termoeléctrico por efecto Peltier son dispositivos comunes para demostraciones y aficionados; el alcohol utilizado en ellas suele ser alcohol isopropílico o alcohol metílico . ^{[ 7 ]}  

Aquí se analizarán las cámaras de niebla de difusión. Una cámara de niebla simple consta de un entorno sellado, una placa superior caliente y una placa inferior fría (véase la figura 3). Requiere una fuente de alcohol líquido en el lado caliente de la cámara, donde el líquido se evapora, formando un vapor que se enfría al descender a través del gas y se condensa en la placa inferior fría. Se necesita algún tipo de radiación ionizante.

El vapor de isopropanol , metanol u otro alcohol satura la cámara. El alcohol cae al enfriarse y el condensador frío proporciona un fuerte gradiente de temperatura. El resultado es un entorno sobresaturado. A medida que las partículas cargadas energéticas 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 (véase la Fig. 4). El resultado es una formación similar a una nube brumosa, que se observa por la presencia de gotitas que caen al condensador. Cuando las trazas se emiten desde una fuente, su punto de origen se puede determinar fácilmente. ^{[ 8 ]} La Fig. 5 muestra un ejemplo de una partícula alfa de una fuente de tipo pin de Pb-210 que experimenta dispersión de Rutherford .

Justo encima de la placa fría del condensador hay un volumen de la cámara sensible a las trazas 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 se incrementa en altura mediante un fuerte gradiente de temperatura y condiciones estables. ^{[ 8 ]} A menudo se utiliza un campo eléctrico intenso para atraer las trazas de nubes hacia la región sensible de la cámara y aumentar su sensibilidad. El campo eléctrico también puede evitar que grandes cantidades de "lluvia" de fondo oculten la región sensible de la cámara, causada por la condensación que se forma sobre el volumen sensible, ocultando así las trazas por precipitación constante. Un fondo negro facilita la observación de las trazas de nubes, y normalmente se necesita una fuente de luz tangencial para iluminar las gotas blancas sobre el fondo negro. A menudo, las trazas no son visibles hasta que se forma una pequeña capa de alcohol en la placa del condensador.

Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de niebla, las partículas con carga positiva y negativa se curvarán en direcciones opuestas, según la ley de la fuerza de Lorentz ; es difícil lograr campos suficientemente fuertes con pequeños equipos de aficionados. Este método también se utilizó para demostrar la existencia del positrón en 1932, de acuerdo con la demostración teórica de Paul Dirac , publicada en 1928. ^{[ 9 ]}

La cámara de burbujas fue inventada por Donald A. Glaser de Estados Unidos en 1952, y por ello recibió el Premio Nobel de Física en 1960. La cámara de burbujas revela de manera similar las trayectorias de partículas subatómicas e invierte el principio de la cámara de niebla para detectarlas como rastros de burbujas en un líquido sobrecalentado, generalmente hidrógeno líquido , en lugar de como rastros de gotas en un vapor sobresaturado. Las cámaras de burbujas pueden ser físicamente más grandes que las cámaras de niebla y, dado que están llenas de un material líquido mucho más denso, pueden revelar las trayectorias de partículas mucho más energéticas. Estos factores convirtieron rápidamente 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. ^{[ 10 ]}

Una cámara de chispas es un dispositivo eléctrico que utiliza una rejilla de cables eléctricos sin aislamiento en una cámara llena de gas, con altos voltajes aplicados entre los cables. Las partículas cargadas de alta energía provocan la ionización del gas a lo largo de su trayectoria, de forma similar a como ocurre en la cámara de niebla de Wilson; en este caso, los campos eléctricos ambientales son lo suficientemente intensos como para precipitar una descarga completa del gas en forma de chispas en el punto de ionización inicial. La presencia y la ubicación de estas chispas se registran eléctricamente y la información se almacena para su posterior análisis, por ejemplo, mediante un ordenador digital .

Se pueden observar efectos de condensación similares en forma de nubes de Wilson , también llamadas nubes de condensación, en grandes explosiones en aire húmedo y otros efectos de singularidad de Prandtl-Glauert .

• Una cámara de niebla casera. (delgada: partículas β). Véase también la versión animada.
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  Ejemplo de cámara de niebla termoeléctrica refrigerada por agua
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  Radiactividad de un mineral de torita observada en una cámara de niebla.
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  Cámara de niebla de difusión con  depurador de iones de 4,6 kV
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  Cámara de difusión TEC casera / refrigerada por agua (5 etapas)
• Vídeo de una cámara Wilson
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  Cámara de niebla durante la Noche Europea de los Investigadores en FZU .
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  Cámara de niebla con trazas visibles de radiación ionizante (cortas, gruesas: partículas α; largas,
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  Trayectorias de partículas de radioisótopos en una cámara de expansión de nubes. (Izquierda) Trayectorias alfa de la fuente Am-241, con una trayectoria beta posiblemente de su radionúclido hijo, Pa-233. (Derecha) Trayectorias beta de la fuente Sr-90/Y-90.
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  Imagen tomada en el Pic du Midi a 2877  m en una cámara de niebla Phywe PJ45 (tamaño de la superficie: 45 × 45 cm). Esta rara fotografía muestra en una sola toma las 4 partículas detectables en una cámara de niebla  : protón, electrón, muón (probablemente) y alfa.
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  Otra cámara de niebla en una vitrina.

• Emulsión nuclear : también se utiliza para registrar e investigar partículas cargadas rápidas.
• Cámara de burbujas
• Cámara de chispas
• Kit científico para niños del Laboratorio de Energía Atómica Gilbert U-238 (1950-1951)
• Estela
• Nefelescopio

• Das Gupta, NN; Ghosh SK (1946). "Un informe sobre la cámara de nubes de Wilson y sus aplicaciones en física". Reviews of Modern Physics . 18 (2): 225– 365. Bibcode : 1946RvMP...18..225G . doi : 10.1103/RevModPhys.18.225 .

• [Archivado el 14 de septiembre de 2014 en Wayback Machine , Peter Wothers , Royal Institution , diciembre de 2012]