La Cloud Chamber è un dispositivo utilizzato per rilevare le particelle ionizzanti e per determinare le loro traiettorie. Non mostra le particelle stesse, ma dove sono state: le particelle formano una scia di condensazione nella camera che è visibile come una sottile nebbia, e questo mostra il percorso di una particella attraverso la camera.
Cosa rileva?
Le camere a nube sono utilizzate per rilevare le particelle ionizzanti. Queste possono includere qualsiasi particella elettricamente carica che passa attraverso la camera; e la quantità di ionizzazione può essere dedotta dalle tracce nella camera e usata per determinare le proprietà e l’identità di una particella. Le camere a nube sono state particolarmente utilizzate per studiare gli elementi radioattivi, poiché le radiazioni alfa, beta e gamma sono tutte ionizzanti (con l’alfa che è il più). Anche i raggi cosmici possono essere rilevati dalle camere a nube, poiché i raggi secondari che si formano negli sciami di particelle sono particelle ionizzanti come muoni ed elettroni. I raggi cosmici sono diventati un’intensa area di studio per le camere a scintilla
, ma la maggior parte delle prime grandi scoperte fatte da essi, come la scoperta del positrone e del kaon, sono state fatte nelle camere a nube.
Come funziona?
La prima camera a nube utilizzava aria satura d’acqua in una camera di vetro. Il fondo di questa camera poteva essere tirato verso il basso per aumentare il volume della camera, facendo espandere anche il gas al suo interno, e come tale fare lavoro. Tuttavia questo cambiamento è adiabatico – non comporta alcun trasferimento di calore. La prima legge della termodinamica afferma che l’energia si conserva e non può essere creata o distrutta, quindi sappiamo che l’energia per questa espansione deve essere venuta da qualche parte; in questo caso, l’energia interna del gas. L’energia interna è legata alla temperatura delle molecole nel gas, quindi se la camera si espande la temperatura scende. Questo porta il vapore acqueo vicino alla condensazione, facendolo diventare supersaturo (vedi Appendice per maggiori dettagli). Se una particella ionizzante, come la radiazione alfa o beta, passa attraverso questo vapore, allora gli ioni formati agiscono come punti di condensazione per il vapore circostante, portando alla formazione di nuvole visibili.Le camere a nuvola più moderne (conosciute come camere a diffusione) funzionano diversamente dall’apparato originale, in quanto usano alcool invece di acqua e non cambiano il volume della camera ma usano invece ghiaccio secco per raffreddare la base della camera. L’alcool è imbevuto in un tessuto nella parte superiore della camera, che è molto più caldo della base della camera; i vapori di alcool cadono quindi alla base della vasca, dove raggiungono un punto di supersaturazione. Le particelle ionizzanti che passano attraverso il vapore si mostrano esattamente nello stesso modo dell’acqua originale descritto sopra.Le tracce delle nuvole possono essere fotografate per ulteriori osservazioni per determinare la natura della particella che ha causato la scia; per esempio, frequenti cambiamenti di direzione suggeriscono frequenti interazioni con le molecole di gas, che è normalmente mostrato da particelle alfa (la forma più ionizzante di radiazione). Un campo elettrico o magnetico può essere applicato attraverso la camera, che farà curvare le particelle cariche. Le particelle positive e negative curvano in direzioni diverse, rendendole distinguibili l’una dall’altra.
Sviluppo della camera a nubi
| Anno | Sviluppo |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson inventa la camera a nubi per fare piccole nubi in laboratorio, a causa del suo interesse per la loro formazione e i fenomeni elettrici e ottici associati ad esse |
| 1910 | Wilson si rende conto che la camera a nubi potrebbe essere usata nel compito di identificare e descrivere le particelle subatomiche appena scoperte emesse da materiali radioattivi |
| 1924 | Patrick Blackett usa la camera a nubi per osservare la trasmutazione dell’azoto in fluoro, che poi si disintegrava in ossigeno |
| 1932 | Blackett e Giuseppe Occhialini svilupparono un sistema di contatori Geiger che scattava fotografie solo quando un raggio cosmico entrava nella camera. Blackett aveva anche ideato un altro modo per accelerare il lavoro di ricerca, utilizzando un diaframma montato a molla per riadattare rapidamente la camera alle condizioni richieste per osservare una traccia di nuvola |
| 1933 | Carl D. Anderson scopre un anti-elettrone, il positrone, in una camera a nube |
| 1936 | Alexander Langsdorf modifica la camera per produrre la sua variante moderna, la camera a diffusione. Usando il ghiaccio secco per formare un gradiente di temperatura, c’era sempre una regione supersatura, così le particelle potevano essere rilevate costantemente |
| 1947 | G.D. Rochester e Clifford Charles Butler pubblicano le prime immagini della camera a nube che mostrano prove di kaon |
Con cosa furono sostituite le camere a nube?
Le camere a nube erano il principale tipo di rivelatore usato nella fisica delle particelle fino agli anni ’50, quando furono sostituite dalle camere a bolle e dalle camere a scintilla. Questi sono dispositivi più sensibili e pratici che permettono di effettuare misure più dettagliate e precise delle proprietà delle particelle.
Ulteriori letture
- Discovering Particles cloud chamber site
- Cambridge Physics cloud chamber page
- How to build a cloud chamber at home (CERN)
- Attività della camera a nuvola per le scuole (Birmingham University)
Immagini
Qualche immagine della camera a nuvola dell’acquario di Birmingham è mostrata qui.
Appendice
Per trovare una spiegazione matematica leggermente più tecnica del perché la supersaturazione si verifica in una camera a nubi, clicca qui.