En Cloud Chamber er en anordning, der anvendes til at detektere ioniserende partikler og bestemme deres baner. Det viser ikke selve partiklerne, men hvor de har været: partiklerne danner et kondensationsspor i kammeret, der er synligt som en fin tåge, og dette viser en partikels vej gennem kammeret.
Hvad detekterer det?
Mågekamre bruges til at detektere ioniserende partikler. Disse kan omfatte enhver elektrisk ladet partikel, der passerer gennem kammeret; og mængden af ionisering kan udledes af sporene i kammeret og bruges til at bestemme en partikels egenskaber og identitet. Skykamre blev især brugt til at studere radioaktive grundstoffer, da alfa-, beta- og gammastråling alle er ioniserende (alfa er den mest ioniserende). Kosmisk stråling kan også påvises i skykamre, da de sekundære stråler, der dannes i partikelregn, er ioniserende partikler såsom myoner og elektroner. Kosmisk stråling blev et intensivt undersøgelsesområde for gnistkamre
, men de fleste af de første store opdagelser, der blev gjort på baggrund af dem, som f.eks. opdagelsen af positronen og kaonen, blev gjort i skykamre.
Hvordan fungerer det?
Det første skykammer brugte luft, der var mættet med vand, i et glaskammer. Bunden af dette kammer kunne trækkes ned for at øge kammerets volumen, hvilket fik gassen i kammeret til også at udvide sig, og som sådan udføre arbejde. Denne ændring er imidlertid adiabatisk – den indebærer ingen varmeoverførsel. Ifølge termodynamikkens første lov er energi bevaret og kan ikke skabes eller ødelægges, så vi ved, at energien til denne ekspansion må være kommet et eller andet sted fra; i dette tilfælde gasens indre energi. Den indre energi er relateret til temperaturen af molekylerne i gassen, så hvis kammeret udvides, falder temperaturen. Dette bringer vanddampen tæt på at kondensere, hvorved den bliver overmættet (se bilag for yderligere oplysninger). Hvis en ioniserende partikel, f.eks. alfa- eller betastråling, passerer gennem denne damp, fungerer de dannede ioner som kondensationspunkter for den omgivende damp, hvilket fører til dannelse af synlige skyer.Mere moderne skykamre (kendt som diffusionskamre) fungerer anderledes end det oprindelige apparat, da de anvender alkohol i stedet for vand og ikke ændrer kammerets volumen, men i stedet anvender tøris til at køle bunden af kammeret. Alkoholen er gennemblødt i et væv i toppen af kammeret, som er meget varmere end kammerets bund; alkoholdampene falder derfor ned til bunden af beholderen, hvor de når et overmætningspunkt. Ioniserende partikler, der passerer gennem dampen, viser sig på nøjagtig samme måde som med det oprindelige vand, der er beskrevet ovenfor. skysporene kan fotograferes med henblik på yderligere observation for at bestemme arten af den partikel, der forårsagede sporet; hyppige retningsskift tyder f.eks. på hyppige interaktioner med gasmolekyler, hvilket normalt viser sig ved alfapartikler (den mest ioniserende form for stråling). Der kan påføres et elektrisk eller magnetisk felt på tværs af kammeret, hvilket vil få ladede partikler til at bøje sig. Positive og negative partikler krummer sig i forskellige retninger, hvilket gør det muligt at skelne dem fra hinanden.
Udvikling af skykammeret
| År | Udvikling |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson opfinder skykammeret til at lave små skyer i laboratoriet, på grund af hans interesse for deres dannelse og de elektriske og optiske fænomener, der er forbundet med dem | 1910 | Wilson indser, at skykammeret kunne bruges til at identificere og beskrive nyopdagede subatomare partikler, der udsendes af radioaktive materialer | 1924 | Patrick Blackett bruger skykammeret til at observere transmutationen af nitrogen til fluor, som derefter opløstes til ilt |
| 1932 | Blackett og Giuseppe Occhialini udviklede et system af Geigertællere, som kun tog billeder, når en kosmisk stråle kom ind i kammeret. Blackett havde også udtænkt en anden måde at fremskynde forskningsarbejdet på ved hjælp af en fjedermonteret membran, der hurtigt kunne justere kammeret tilbage til de forhold, der var nødvendige for at observere et skospor |
| 1933 | Carl D. Anderson opdager en anti-elektron, positronen, i et skykammer |
| 1936 | Alexander Langsdorf modificerede kammeret for at fremstille dets moderne variant, diffusionskammeret. Ved at bruge tøris til at danne en temperaturgradient var der altid et overmættet område, så partikler kunne påvises konstant |
| 1947 | G.D. Rochester og Clifford Charles Butler offentliggør de første billeder fra skykammeret, der viser beviser for kaon |
Hvad blev skykammeret erstattet af?
Skykamre var den vigtigste type detektor, der blev brugt inden for partikelfysik indtil 1950’erne, hvor de blev erstattet af boblekamre og gnistkamre. Disse er mere følsomme og praktiske apparater, som gør det muligt at foretage mere detaljerede og præcise målinger af partiklernes egenskaber.
Yderligere læsning
- Discovering Particles cloud chamber site
- Cambridge Physics cloud chamber page
- Hvordan man bygger et cloud chamber derhjemme (CERN)
- Skykammeraktiviteter for skoler (Birmingham University)
Billeder
Der vises her nogle billeder af Birmingham-fiskekammeret skykammeret.
Tillæg
For at finde en lidt mere teknisk matematisk forklaring på, hvorfor der opstår overmætning i et skykammer, klik her.