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Una 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.
Rastros de partículas radiactivas en una cámara de niebla
Los rastros de partículas radiactivas se deben a las condiciones específicas dentro de la cámara, principalmente debido a la capa de vapores saturados de alcohol isopropílico.
Para crear vapor sobreenfriado, se utiliza una expansión adiabática rápida, acompañada de una fuerte disminución de la temperatura.
· ADIABÁTICO, CA. // Fís. Transformación termodinámica que tiene lugar sin intercambio térmico.
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. Determinar el radio de curvatura de la trayectoria le permite determinar la relación de la carga eléctrica específica de la partícula y, por lo tanto, 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, en los trabajos de Coulier, Kissling y Aitken, se demostró que el polvo juega un papel importante en la formación de la niebla. Tratando de recrear este fenómeno natural en el laboratorio, los investigadores encontraron que la niebla no se forma en el aire purificado. También se encontró que las gotas se forman precisamente alrededor de las partículas de polvo y tienen tamaños del orden de sus tamaños. Esta fue la solución al problema advertido por Lord Kelvin, según el cual una gota de agua, al crecer, debe pasar por una etapa en la que tiene un tamaño comparable al tamaño de las moléculas, pero una gota de ese tamaño 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. Joseph Thompson demostró que los iones se convierten en 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 pares 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.
Una pieza de torita radiactiva en una cámara de niebla y rastros de partículas emitidas por ella
El primer detector de partículas cargadas, creado por Wilson en 1912, tenía la forma de un cilindro de vidrio de 16,5 centímetros de diámetro y 3,5 centímetros de alto. Dentro de la cámara había un recipiente en el que había un anillo de madera, sumergido en el 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. Al mismo tiempo, la cámara y un brillante destello de luz se encendieron.
La principal desventaja de la cámara fue el largo tiempo que llevó prepararla. Para superar esta deficiencia, Takeo Shimizu creó una versión alternativa de la cámara en 1921, 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.
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.
En 1927, en un esfuerzo por combinar los mejores aspectos de cada uno de los modelos, Patrick Blackett modificó la cámara Shimizu, añadiéndole un resorte, que proporcionó una fuerte expansión. Con esto y algunas otras mejoras, en 1929 su modelo de cámara tomó más de 1200 tomas por día, cada una mostrando docenas de rastros de partículas alfa. Fue Blunkett 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 la cámara de niebla. Más tarde se descubrió la radiactividad natural del isótopo 87 Rb. 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.
En el mismo año, Blackett y Giuseppe Occhialini desarrollaron una variante de la cámara que solo se expandía cuando se disparaban dos contadores, uno arriba 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.
En 1934, L. V. Mysovsky y M. S. Eigenson realizaron experimentos en los que, utilizando una cámara de niebla, se comprobó la supuesta presencia de neutrones en los rayos cósmicos. (Nota: la vida útil de los neutrones (alrededor de 10 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.
Estructura
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. En este caso, la cámara tiene un fondo perforado, debajo del cual hay un diafragma en el que 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.
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. La fuente de radiación puede colocarse dentro de la cámara o ubicarse 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. 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.
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