Mračná komora je zařízení používané k detekci ionizujících částic a k určování jejich trajektorií. Neukazuje samotné částice, ale to, kde se nacházely: částice vytvářejí v komoře kondenzační stopu, která je viditelná jako jemná mlha, a ta ukazuje dráhu částice v komoře.
Co detekuje?
Oblačné komory se používají k detekci ionizujících částic. Ty mohou zahrnovat jakoukoli elektricky nabitou částici, která projde komorou; a množství ionizace lze odvodit ze stop v komoře a použít k určení vlastností a identity částice. Oblačné komory se používaly zejména ke studiu radioaktivních prvků, protože záření alfa, beta a gama je ionizující (přičemž alfa je nejsilnější). Mračnými komorami lze detekovat také kosmické záření, protože sekundární záření vznikající ve sprškách částic jsou ionizující částice, jako jsou miony a elektrony. Kosmické záření se stalo intenzivní oblastí studia jiskrových komor
, ale většina prvních významných objevů, které z něj byly učiněny, jako například objev pozitronu a kaonu, byla učiněna v oblačných komorách.
Jak to funguje?
První obláčková komora používala vzduch nasycený vodou ve skleněné komoře. Dno této komory se dalo stáhnout dolů, čímž se zvětšil objem komory, což způsobilo, že se plyn v ní také rozšířil a jako takový konal práci. Tato změna je však adiabatická – nedochází při ní k přenosu tepla. První termodynamický zákon říká, že energie se zachovává a nemůže být vytvořena ani zničena, takže víme, že energie pro tuto expanzi musela odněkud pocházet; v tomto případě z vnitřní energie plynu. Vnitřní energie souvisí s teplotou molekul plynu, takže pokud se komora rozpíná, teplota klesá. Tím se vodní pára přiblíží kondenzaci, takže se stane přesycenou (podrobněji viz Dodatek). Pokud touto párou projde ionizující částice, například záření alfa nebo beta, pak vzniklé ionty působí jako kondenzační body pro okolní páru, což vede ke vzniku viditelných mraků. modernější mrakové komory (tzv. difuzní komory) fungují jinak než původní přístroj, protože místo vody používají alkohol a nemění objem komory, ale místo toho používají suchý led k chlazení základny komory. Alkohol je nasáklý v tkanině v horní části komory, která je mnohem teplejší než základna komory; alkoholové páry proto padají k základně nádrže, kde dosáhnou bodu přesycení. Ionizující částice, které procházejí parami, se projeví přesně stejným způsobem jako u původní vody podrobně popsané výše. stopy mraku lze fotografovat pro další pozorování, aby bylo možné určit povahu částic, které stopu způsobily; například časté změny směru naznačují časté interakce s molekulami plynu, což se obvykle projevuje částicemi alfa (nejionizující forma záření). Na komoru lze přiložit elektrické nebo magnetické pole, které způsobí zakřivení nabitých částic. Kladné a záporné částice se zakřivují v různých směrech, díky čemuž je lze od sebe odlišit.
Vývoj mračné komory
| Rok | Vývoj |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson vynalézá obláčkovou komoru k výrobě malých obláčků v laboratoři, díky svému zájmu o jejich vznik a elektrické a optické jevy s nimi spojené |
| 1910 | Wilson si uvědomil, že obláčkovou komoru lze využít při úkolu identifikace a popisu nově objevených subatomárních částic emitovaných radioaktivními materiály |
| 1924 | Patrick Blackett používá obláčkovou komoru k pozorování transmutace dusíku na fluor, který se pak rozpadl na kyslík |
| 1932 | Blackett a Giuseppe Occhialini vyvinuli systém Geigerových čítačů, které pořizovaly fotografie pouze tehdy, když do komory vstoupilo kosmické záření. Blackett také vymyslel další způsob, jak urychlit výzkumnou práci, a to pomocí pružinové membrány, která umožňovala rychle přenastavit komoru zpět na podmínky potřebné k pozorování stopy mraku |
| 1933 | Carl D. Anderson objevil v obláčkové komoře antielektron, pozitron |
| 1936 | Alexander Langsdorf upravil komoru a vytvořil její moderní variantu, difuzní komoru. Použití suchého ledu k vytvoření teplotního gradientu znamenalo, že v komoře byla vždy přesycená oblast, takže částice bylo možné detekovat neustále |
| 1947 | G. D. Rochester a Clifford Charles Butler publikovali první snímky z mračné komory, které ukazují důkaz kaonů |
Čím byly mračné komory nahrazeny?
Oblačné komory byly hlavním typem detektorů používaných ve fyzice částic až do 50. let 20. století, kdy byly nahrazeny bublinovými komorami a jiskrovými komorami. Jedná se o citlivější a praktičtější zařízení, která umožňují provádět podrobnější a přesnější měření vlastností částic.
Další čtení
- Stránka mračné komory Discovering Particles
- Stránka mračné komory Cambridge Physics
- Jak si doma postavit mračnou komoru. (CERN)
- Aktivity v mračné komoře pro školy (Birminghamská univerzita)
Obrázky
Několik obrázků mračné komory z birminghamského akvária je uvedeno zde.
Příloha
Chcete-li najít poněkud techničtější matematické vysvětlení, proč dochází k přesycení v mrakové komoře, klikněte zde.