Pilvikammio on laite, jota käytetään ionisoivien hiukkasten havaitsemiseen ja niiden lentoratojen määrittämiseen. Se ei näytä itse hiukkasia, vaan sen, missä ne ovat olleet: hiukkaset muodostavat kammioon kondensaatiojäljen, joka näkyy hienona sumuna, ja tämä osoittaa hiukkasen reitin kammion läpi.
Mitä se havaitsee?
Pilvikammioita käytetään ionisoivien hiukkasten havaitsemiseen. Näitä voivat olla kaikki sähköisesti varautuneet hiukkaset, jotka kulkevat kammion läpi; ja ionisaation määrä voidaan päätellä kammiossa olevista jäljistä ja sitä voidaan käyttää hiukkasen ominaisuuksien ja identiteetin määrittämiseen. Pilvikammioita käytettiin erityisesti radioaktiivisten alkuaineiden tutkimiseen, sillä alfa-, beeta- ja gammasäteily ovat kaikki ionisoivia (alfa on ionisoivin). Pilvikammioilla voidaan havaita myös kosmista säteilyä, sillä hiukkassuihkuissa muodostuvat sekundaarisäteet ovat ionisoivia hiukkasia, kuten myoneja ja elektroneja. Kosmisesta säteilystä tuli kipinäkammioiden intensiivinen tutkimusalue
, mutta suurin osa niistä tehdyistä ensimmäisistä suurista löydöistä, kuten positronin ja kaonin löytäminen, tehtiin pilvikammioissa.
Miten se toimii?
Ensimmäisessä pilvikammiossa käytettiin vedellä kyllästettyä ilmaa lasikammiossa. Tämän kammion pohjaa voitiin vetää alaspäin kammion tilavuuden kasvattamiseksi, jolloin myös kammion sisällä oleva kaasu laajeni ja näin ollen teki työtä. Tämä muutos on kuitenkin adiabaattinen – siihen ei liity lämmönsiirtoa. Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan energia säilyy eikä sitä voi luoda tai tuhota, joten tiedämme, että laajentumisen energian on täytynyt tulla jostain; tässä tapauksessa kaasun sisäisestä energiasta. Sisäenergia liittyy kaasun molekyylien lämpötilaan, joten jos kammio laajenee, lämpötila laskee. Tämä tuo vesihöyryn lähelle tiivistymistä, jolloin siitä tulee ylikylläistä (katso lisätietoja liitteestä). Jos ionisoiva hiukkanen, kuten alfa- tai beetasäteily, kulkee tämän höyryn läpi, muodostuvat ionit toimivat ympäröivän höyryn tiivistymispisteinä, mikä johtaa näkyvien pilvien muodostumiseen.Nykyaikaisemmat pilvikammiot (niin sanotut diffuusiokammiot) toimivat eri tavalla kuin alkuperäinen laite, sillä niissä käytetään veden sijasta alkoholia, eikä kammion tilavuutta muuteta, vaan sen sijaan kammion pohjan jäähdyttämiseen käytetään kuivajäätä. Alkoholi liotetaan kammion yläosassa olevaan kudokseen, joka on paljon lämpimämpi kuin kammion pohja; alkoholihöyryt putoavat näin ollen säiliön pohjaan, jossa ne saavuttavat ylikyllästymispisteen. Ionisoivia hiukkasia, jotka kulkevat höyryn läpi, näkyy täsmälleen samalla tavalla kuin edellä kuvatun alkuperäisen veden kohdalla. Pilvijäljet voidaan valokuvata myöhempää havainnointia varten jäljen aiheuttaneen hiukkasen luonteen määrittämiseksi; esimerkiksi tiheät suunnanmuutokset viittaavat usein tapahtuvaan vuorovaikutukseen kaasumolekyylien kanssa, mikä tavallisesti näkyy alfahiukkasina (ionisoivin säteilyn muoto). Kammion poikki voidaan asettaa sähkö- tai magneettikenttä, joka saa varatut hiukkaset kaartumaan. Positiiviset ja negatiiviset hiukkaset käyristyvät eri suuntiin, jolloin ne voidaan erottaa toisistaan.
Pilvikammion kehitys
| Vuosi | Kehitys |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson keksii pilvikammion pienten pilvien valmistamiseksi laboratoriossa, koska hän oli kiinnostunut niiden muodostumisesta ja niihin liittyvistä sähköisistä ja optisista ilmiöistä |
| 1910 | Wilson oivaltaa, että pilvikammiota voitaisiin käyttää tehtävään, jossa tunnistetaan ja kuvataan vasta löydettyjä radioaktiivisten materiaalien emittoimia subatomisia hiukkasia |
| 1924 | Patrik Blackett havainnoi pilvikammion avulla typen transmutaatiota fluoriksi, joka sitten hajosi hapeksi |
| 1932 | Blackett ja Giuseppe Occhialini kehittivät Geiger-laskurijärjestelmän, joka otti valokuvia vain silloin, kun kosminen säteily tuli kammioon. Blackett oli myös keksinyt toisen tavan nopeuttaa tutkimustyötä käyttämällä jousitettua kalvoa, jolla kammio voitiin nopeasti säätää takaisin olosuhteisiin, joita tarvittiin pilvijäljen havainnoimiseksi |
| 1933 | Carl D. Anderson löytää antielektronin, positronin, pilvikammiossa |
| 1936 | Alexander Langsdorf modifioi kammion niin, että siitä syntyi sen nykyaikainen muunnos, diffuusiokammio. Kuivajään käyttäminen lämpötilagradientin muodostamiseen tarkoitti, että siellä oli aina ylikylläinen alue, joten hiukkasia voitiin havaita jatkuvasti |
| 1947 | G.D. Rochester ja Clifford Charles Butler julkaisevat ensimmäiset pilvikammiokuvat, jotka osoittavat todisteita kaonista |
Millä pilvikammiot korvattiin?
Pilvikammiot olivat hiukkasfysiikassa käytetyn ilmaisimen päätyyppi 1950-luvulle asti, jolloin ne korvattiin kuplakammioilla ja kipinäkammioilla. Nämä ovat herkempiä ja käytännöllisempiä laitteita, joiden avulla voidaan tehdä yksityiskohtaisempia ja tarkempia mittauksia hiukkasten ominaisuuksista.
Lisätietoja
- Discovering Particles pilvikammiosivusto
- Cambridge Physicsin pilvikammiosivu
- Miten rakentaa pilvikammio kotona? (CERN)
- Pilvikammioaktiviteetteja kouluille (Birminghamin yliopisto)
Kuvia
Tässä on joitakin kuvia Birminghamin akvaariopilvikammiosta.
Liite
Hieman teknisemmän matemaattisen selityksen siitä, miksi pilvikammiossa tapahtuu ylikylläisyyttä, löydät täältä.