Une chambre à nuages est un dispositif utilisé pour détecter les particules ionisantes et déterminer leurs trajectoires. Elle ne montre pas les particules elles-mêmes, mais l’endroit où elles sont passées : les particules forment une traînée de condensation dans la chambre qui est visible sous la forme d’une fine brume, et cela montre la trajectoire d’une particule à travers la chambre.
Que détecte-t-elle ?
Les chambres à nuages sont utilisées pour détecter les particules ionisantes. Il peut s’agir de toute particule chargée électriquement qui traverse la chambre ; et la quantité d’ionisation peut être déduite des traces dans la chambre et utilisée pour déterminer les propriétés et l’identité d’une particule. Les chambres à nuages étaient particulièrement utilisées pour étudier les éléments radioactifs, car les rayonnements alpha, bêta et gamma sont tous ionisants (l’alpha étant le plus ionisant). Les rayons cosmiques peuvent également être détectés par les chambres à nuages, car les rayons secondaires formés dans les pluies de particules sont des particules ionisantes telles que les muons et les électrons. Les rayons cosmiques sont devenus un domaine d’étude intense pour les chambres à étincelles
, mais la plupart des premières grandes découvertes faites à partir d’eux, comme la découverte du positron et du kaon, ont été faites dans des chambres à nuages.
Comment cela fonctionne-t-il ?
La première chambre à nuage utilisait de l’air saturé d’eau dans une chambre en verre. Le fond de cette chambre pouvait être tiré vers le bas pour augmenter le volume de la chambre, ce qui entraînait une expansion du gaz qu’elle contenait, et donc un travail. Cependant, ce changement est adiabatique – il n’implique aucun transfert de chaleur. La première loi de la thermodynamique stipule que l’énergie est conservée et ne peut être ni créée ni détruite. Nous savons donc que l’énergie nécessaire à cette expansion doit provenir de quelque part ; dans ce cas, de l’énergie interne du gaz. L’énergie interne est liée à la température des molécules du gaz, donc si la chambre se dilate, la température diminue. La vapeur d’eau est alors proche de la condensation, ce qui la rend sursaturée (voir l’annexe pour plus de détails). Si une particule ionisante, telle qu’un rayonnement alpha ou bêta, traverse cette vapeur, les ions formés agissent comme des points de condensation pour la vapeur environnante, ce qui entraîne la formation de nuages visibles.Les chambres à nuages plus modernes (connues sous le nom de chambres de diffusion) fonctionnent différemment de l’appareil original, car elles utilisent de l’alcool au lieu de l’eau et ne modifient pas le volume de la chambre, mais utilisent de la glace sèche pour refroidir la base de la chambre. L’alcool est imbibé dans un tissu situé au sommet de la chambre, qui est beaucoup plus chaud que la base de la chambre ; les vapeurs d’alcool tombent donc à la base du réservoir, où elles atteignent un point de sursaturation. Les particules ionisantes qui traversent la vapeur se manifestent exactement de la même manière qu’avec l’eau d’origine décrite ci-dessus. Les traces du nuage peuvent être photographiées pour une observation ultérieure afin de déterminer la nature de la particule qui a provoqué la trace ; par exemple, des changements de direction fréquents suggèrent des interactions fréquentes avec les molécules de gaz, ce qui est normalement mis en évidence par les particules alpha (la forme de rayonnement la plus ionisante). Un champ électrique ou magnétique peut être appliqué à travers la chambre, ce qui provoquera la courbure des particules chargées. Les particules positives et négatives se courbent dans des directions différentes, ce qui permet de les distinguer les unes des autres.
Développement de la chambre à nuages
| Année | Développement |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson invente la chambre à nuages pour fabriquer de petits nuages en laboratoire, en raison de son intérêt pour leur formation et les phénomènes électriques et optiques qui leur sont associés |
| 1910 | Wilson réalise que la chambre à nuages pourrait être utilisée dans la tâche d’identification et de description des particules subatomiques nouvellement découvertes émises par les matériaux radioactifs |
| 1924 | Patrick Blackett utilise la chambre à nuages pour observer la transmutation de l’azote en fluor, qui s’est ensuite désintégré en oxygène |
| 1932 | Blackett et Giuseppe Occhialini ont développé un système de compteurs Geiger qui ne prenait des photos que lorsqu’un rayon cosmique entrait dans la chambre. Blackett avait également conçu un autre moyen d’accélérer les travaux de recherche, en utilisant un diaphragme monté sur ressort pour réajuster rapidement la chambre aux conditions requises pour observer une trace de nuage |
| 1933 | Carl D. Anderson découvre un anti-électron, le positron, dans une chambre à nuages |
| 1936 | Alexander Langsdorf modifie la chambre pour produire sa variante moderne, la chambre à diffusion. L’utilisation de glace sèche pour former un gradient de température signifiait qu’il y avait toujours une région sursaturée, de sorte que les particules pouvaient être détectées en permanence |
| 1947 | G.D. Rochester et Clifford Charles Butler publient les premières images de chambre à nuages montrant des preuves de kaon |
Par quoi les chambres à nuages ont-elles été remplacées ?
Les chambres à nuages étaient le principal type de détecteur utilisé en physique des particules jusqu’aux années 1950, où elles ont été remplacées par les chambres à bulleset les chambres à étincelles. Ces dernières sont des dispositifs plus sensibles et plus pratiques qui permettent d’effectuer des mesures plus détaillées et plus précises des propriétés des particules.
Autres lectures
- Site de la chambre à nuages Discovering Particles
- Page de la chambre à nuages de Cambridge Physics
- Comment construire une chambre à nuages à la maison. (CERN)
- Activités de chambre à nuages pour les écoles (Université de Birmingham)
Images
Certaines photos de la chambre à nuages de l’aquarium de Birmingham sont présentées ici.
Annexe
Pour trouver une explication mathématique un peu plus technique de la raison pour laquelle la sursaturation se produit dans une chambre à nuages, cliquez ici.