A Cloud Chamber egy olyan eszköz, amelyet ionizáló részecskék kimutatására és pályájuk meghatározására használnak. Nem magukat a részecskéket mutatja meg, hanem azt, hogy hol jártak: a részecskék kondenzációs nyomot képeznek a kamrában, ami finom ködként látható, és ez mutatja a részecske útját a kamrán keresztül.
Mit érzékel?
A felhőkamrákat ionizáló részecskék kimutatására használják. Ezek közé tartozhat bármilyen elektromosan töltött részecske, amely áthalad a kamrán; az ionizáció mértékére pedig a kamrában lévő nyomokból lehet következtetni, és felhasználható a részecske tulajdonságainak és azonosságának meghatározására. A felhőkamrákat különösen a radioaktív elemek vizsgálatára használták, mivel az alfa-, béta- és gamma-sugárzás mind ionizáló (az alfa a legnagyobb mértékben). A kozmikus sugárzás is kimutatható a felhőkamrákkal, mivel a részecskezáporokban keletkező másodlagos sugarak ionizáló részecskék, például müonok és elektronok. A kozmikus sugárzás a szikrakamrák
intenzív vizsgálati területévé vált, de a belőlük származó kezdeti nagy felfedezések többsége, mint például a pozitron és a kaon felfedezése, felhőkamrákban történt.
Hogyan működik?
Az első felhőkamra vízzel telített levegőt használt egy üvegkamrában. Ennek a kamrának az alját lefelé lehetett húzni, hogy növelje a kamra térfogatát, aminek hatására a benne lévő gáz is kitágult, és mint ilyen, munkát végzett. Ez a változás azonban adiabatikus – nem jár hőátadással. A termodinamika első törvénye szerint az energia megmarad, és nem hozható létre vagy semmisíthető meg, így tudjuk, hogy a táguláshoz szükséges energiának valahonnan kell származnia; ebben az esetben a gáz belső energiájából. A belső energia a gázban lévő molekulák hőmérsékletével függ össze, tehát ha a kamra tágul, a hőmérséklet csökken. Ezáltal a vízgőz közel kerül a kondenzációhoz, és túltelítetté válik (további részletekért lásd a függelékben). Ha egy ionizáló részecske, például alfa- vagy béta-sugárzás áthalad ezen a gőzön, akkor a keletkező ionok kondenzációs pontként hatnak a környező gőzre, ami látható felhők kialakulásához vezet.A modernebb felhőkamrák (úgynevezett diffúziós kamrák) az eredeti készüléktől eltérően működnek, mivel víz helyett alkoholt használnak, és nem változtatják meg a kamra térfogatát, hanem szárazjeget használnak a kamra aljának hűtésére. Az alkoholt a kamra tetején lévő szövetbe áztatják, amely sokkal melegebb, mint a kamra alja; az alkoholgőzök ezért a tartály aljára esnek, ahol elérik a túltelítettségi pontot. A gőzön áthaladó ionizáló részecskék pontosan ugyanúgy mutatkoznak, mint a fentebb részletezett eredeti víz esetében. a felhőnyomokat további megfigyelés céljából le lehet fényképezni, hogy meghatározzák a nyomot okozó részecske jellegét; például a gyakori irányváltozások a gázmolekulákkal való gyakori kölcsönhatásokra utalnak, amit általában az alfa-részecskék (a sugárzás legionizálóbb formája) mutatnak. A kamrán elektromos vagy mágneses mezőt lehet alkalmazni, amely a töltött részecskék görbülését okozza. A pozitív és negatív részecskék különböző irányban görbülnek, így megkülönböztethetők egymástól.
A felhőkamra kifejlesztése
| Év | Fejlesztés |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson feltalálja a felhőkamrát kis felhők laboratóriumi előállítására, kialakulásuk és a velük kapcsolatos elektromos és optikai jelenségek iránti érdeklődése miatt |
| 1910 | Wilson felismeri, hogy a felhőkamrát fel lehetne használni a radioaktív anyagok által kibocsátott újonnan felfedezett szubatomi részecskék azonosítására és leírására |
| 1924 | Patrick Blackett a felhőkamrát a nitrogén fluorrá történő transzmutációjának megfigyelésére használja, amely aztán oxigénné bomlott |
| 1932 | Blackett és Giuseppe Occhialini kifejlesztett egy Geiger-számláló rendszert, amely csak akkor készített fényképeket, amikor kozmikus sugárzás lépett be a kamrába. Blackett egy másik módszert is kitalált a kutatómunka felgyorsítására: egy rugóra szerelt membrán segítségével gyorsan visszaállította a kamrát a felhőnyom megfigyeléséhez szükséges körülmények közé |
| 1933 | Carl D. Anderson felfedezi az antielektront, a pozitront egy felhőkamrában |
| 1936 | Alexander Langsdorf módosította a kamrát, hogy elkészítse annak modern változatát, a diffúziós kamrát. A szárazjég használata a hőmérsékleti gradiens kialakításához azt jelentette, hogy mindig volt egy szupertelített régió, így a részecskéket folyamatosan lehetett detektálni |
| 1947 | G.D. Rochester és Clifford Charles Butler publikálja az első felhőkamrás felvételeket, amelyek kaonokra utalnak |
Mivel helyettesítették a felhőkamrát?
A felhőkamrák voltak a részecskefizikában használt detektorok fő típusa az 1950-es évekig, amikor felváltották őket a buborékkamrák és a szikrakamrák. Ezek érzékenyebb és praktikusabb eszközök, amelyek lehetővé teszik a részecskék tulajdonságainak részletesebb és pontosabb mérését.
További olvasnivalók
- Discovering Particles felhőkamra oldal
- Cambridge Physics felhőkamra oldal
- Hogyan építsünk otthon felhőkamrát? (CERN)
- Felhőkamra tevékenységek iskoláknak (Birminghami Egyetem)
Képek
A birminghami akvárium felhőkamráról készült néhány kép itt látható.
Függelék
Egy kissé technikásabb matematikai magyarázatot arra vonatkozóan, hogy miért történik szupertelítettség a felhőkamrában, ide kattintva talál.