Cámara de niebla

Una cámara de nubes , también conocida como cámara de Wilson , es un detector de partículas utilizado para visualizar el paso de radiación ionizante .

Una cámara de niebla consiste en un ambiente sellado que contiene un vapor sobresaturado de agua o alcohol . Una partícula cargada energéticamente (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla gaseosa al arrancar electrones de las moléculas de gas mediante 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 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 las gotas caen a través del vapor. Estos rastros tienen formas características. Por ejemplo, un rastro de partículas alfa es grueso y recto, mientras que un rastro 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 la década de 1920 hasta la de 1950, hasta la aparición de la cámara de burbujas . En particular, los descubrimientos del positrón en 1932 (véase la figura 1) y del muón en 1936, ambos realizados por Carl Anderson (premiado 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. ^[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 pronto descubrió que los iones podían actuar como centros para la formación de gotas de agua en dichas cámaras. Continuó con 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 utilizó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara ( expansión adiabática ), enfriando el aire y comenzando a condensar el vapor de agua. De ahí el nombre de cámara de nube 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. Se utilizó una película de cine para registrar las imágenes.

Patrick Blackett realizó otros avances al utilizar un resorte rígido para expandir y comprimir la cámara muy rápidamente, lo que la hizo sensible a las partículas varias veces por segundo. Este tipo de cámara también se denomina cámara pulsada porque las condiciones de funcionamiento no se mantienen de forma continua.

Wilson recibió la mitad del Premio Nobel de Física en 1927 por su trabajo en la cámara de nubes (el mismo año en que Arthur Compton recibió la mitad del premio por el Efecto Compton ). ^[4]

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 más fría que −26 °C (−15 °F). En lugar de vapor de agua, se utiliza alcohol debido a su punto de congelación más bajo . Las cámaras de niebla enfriadas por hielo seco o enfriamiento termoeléctrico por efecto Peltier son dispositivos comunes para demostraciones y aficionados; el alcohol utilizado en ellas es comúnmente alcohol isopropílico o alcohol desnaturalizado . ^[6]

En este artículo se analizarán las cámaras de niebla de tipo 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 cálido de la cámara, donde el líquido se evapora y forma 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 isopropanol , metanol 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 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 atrás 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 (ver Figura 4). El resultado es una formación similar a una nube brumosa, vista por la presencia de gotitas que caen al condensador. Cuando las pistas se emiten desde una fuente, su punto de origen se puede determinar fácilmente. ^[7] La ​​Figura 5 muestra un ejemplo de una partícula alfa de una fuente de tipo pin Pb-210 que experimenta dispersión de Rutherford .

Justo encima de la placa condensadora fría hay un volumen de la cámara que es sensible a las huellas de ionización. La estela de iones 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 las huellas de las 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, causadas por la condensación que se forma sobre el volumen sensible de la cámara, oscureciendo así las huellas 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 gotitas blancas contra el fondo negro. A menudo, las huellas no son evidentes hasta que se forma un charco poco profundo de alcohol en la placa condensadora.

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, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz ; sin embargo, es difícil lograr campos lo suficientemente fuertes con pequeñas configuraciones de aficionados. 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. ^[8]

La cámara de burbujas fue inventada por Donald A. Glaser de los Estados Unidos en 1952, y por esto, 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 nubes, y como están llenas de material líquido mucho más denso, revelan las huellas de partículas mucho más energéticas. Estos factores hicieron que la cámara de burbujas se convirtiera rápidamente en el detector de partículas predominante durante varias décadas, de modo que las cámaras de nubes fueron efectivamente reemplazadas en la investigación fundamental a principios de la década de 1960. ^[9]

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 energéticamente provocan la ionización del gas a lo largo de la trayectoria de la partícula de la misma manera que en la cámara de nubes 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 la posición de la ionización inicial. La presencia y ubicación de estas chispas se registra luego eléctricamente 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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  Barra de torio en una cámara de nubes.
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  Gas radón dentro de una cámara de nubes.
• Una cámara de niebla casera. Thin: β-partículas). Ver también versión animada
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  Ejemplo de cámara de nubes termoeléctrica refrigerada por agua
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  Radiactividad de un mineral de torita observada en una cámara de nubes
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  Cámara de difusión con depurador de iones de 4,6 kV
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  Cámara de nube de difusión refrigerada por agua/TEC de fabricación casera (5 etapas)
• Vídeo de una cámara Wilson
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  Cámara de nubes durante la Noche Europea de los Investigadores en la FZU .
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  Cámara de nubes con rastros visibles de radiación ionizante (cortos, gruesos: partículas α; largos,
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  Rastros de partículas de radioisótopos en una cámara de expansión de nubes. (Izquierda) Rastros alfa de la fuente Am-241, con un rastro beta posiblemente de su radionúclido hijo, Pa-233. (Derecha) Rastros 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 que se pueden detectar en una cámara de niebla: protón, electrón, muón (probablemente) y alfa.

• Emulsión nuclear : también se utiliza para registrar e investigar partículas con carga rápida
• Cámara de burbujas
• Cámara de chispas
• Kit de ciencia para niños del Laboratorio de Energía Atómica Gilbert U-238 (1950-1951)
• Estela
• Nefeloscopio

• Das Gupta, NN; Ghosh SK (1946). "Un informe sobre la cámara de nubes de Wilson y sus aplicaciones en física". Reseñas de física moderna . 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]