Una Cámara de Nubes es un dispositivo utilizado para detectar partículas ionizantes y determinar sus trayectorias. No muestra las partículas en sí, sino dónde han estado: las partículas forman un rastro de condensación en la cámara que es visible como una fina niebla, y esto muestra la trayectoria de una partícula a través de la cámara.
¿Qué detecta?
Las cámaras de niebla se utilizan para detectar partículas ionizantes. Estas pueden incluir cualquier partícula cargada eléctricamente que pase por la cámara; y la cantidad de ionización puede deducirse de las huellas en la cámara y utilizarse para determinar las propiedades y la identidad de una partícula. Las cámaras de nubosidad se utilizaron especialmente para estudiar elementos radiactivos, ya que las radiaciones alfa, beta y gamma son todas ionizantes (siendo la alfa la que más lo es). Los rayos cósmicos también pueden ser detectados por las cámaras de nubes, ya que los rayos secundarios que se forman en las lluvias de partículas son partículas ionizantes como los muones y los electrones. Los rayos cósmicos se convirtieron en un área de estudio intensa para las cámaras de chispas
, pero la mayoría de los grandes descubrimientos iniciales realizados a partir de ellos, como el descubrimiento del positrón y el kaón, se hicieron en las cámaras de nubes.
¿Cómo funciona?
La primera cámara de nubes utilizaba aire saturado de agua en una cámara de cristal. El fondo de esta cámara se podía tirar hacia abajo para aumentar el volumen de la cámara, haciendo que el gas dentro de ella se expandiera también, y como tal hiciera trabajo. Sin embargo, este cambio es adiabático, es decir, no implica transferencia de calor. La primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva y no puede crearse ni destruirse, por lo que sabemos que la energía para esta expansión tiene que venir de alguna parte; en este caso, de la energía interna del gas. La energía interna está relacionada con la temperatura de las moléculas del gas, por lo que si la cámara se expande la temperatura desciende. Esto hace que el vapor de agua se acerque a la condensación, haciendo que se sobresature (véase el Apéndice para más detalles). Si una partícula ionizante, como la radiación alfa o beta, atraviesa este vapor, los iones formados actúan como puntos de condensación para el vapor circundante, dando lugar a la formación de nubes visibles.Las cámaras de nubes más modernas (conocidas como cámaras de difusión) funcionan de forma diferente al aparato original, ya que utilizan alcohol en lugar de agua y no cambian el volumen de la cámara, sino que utilizan hielo seco para enfriar la base de la cámara. El alcohol se empapa en un tejido en la parte superior de la cámara, que está mucho más caliente que la base de la cámara; los vapores de alcohol caen, por tanto, a la base del depósito, donde alcanzan un punto de sobresaturación. Las partículas ionizantes que atraviesan el vapor aparecen exactamente de la misma manera que con el agua original detallada anteriormente.Las huellas de las nubes pueden fotografiarse para su posterior observación y determinar la naturaleza de la partícula que ha provocado la estela; por ejemplo, los frecuentes cambios de dirección sugieren frecuentes interacciones con las moléculas de gas, lo que normalmente muestran las partículas alfa (la forma más ionizante de radiación). Se puede aplicar un campo eléctrico o magnético a través de la cámara, lo que hará que las partículas cargadas se curven. Las partículas positivas y negativas se curvan en diferentes direcciones, lo que las hace distinguibles unas de otras.
Desarrollo de la cámara de nubes
| Año | Desarrollo |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson inventa la cámara de nubes para fabricar pequeñas nubes en el laboratorio, debido a su interés en su formación y en los fenómenos eléctricos y ópticos asociados a ellas |
| 1910 | Wilson se da cuenta de que la cámara de nubes podría utilizarse en la tarea de identificar y describir las partículas subatómicas recién descubiertas emitidas por materiales radiactivos |
| 1924 | Patrick Blackett utiliza la cámara de nubes para observar la transmutación del nitrógeno en flúor, que luego se desintegra en oxígeno |
| 1932 | Blackett y Giuseppe Occhialini desarrollaron un sistema de contadores Geiger que sólo tomaba fotografías cuando un rayo cósmico entraba en la cámara. Blackett también había ideado otra forma de acelerar el trabajo de investigación, utilizando un diafragma montado en un resorte para reajustar rápidamente la cámara a las condiciones necesarias para observar un rastro de nube |
| 1933 | Carl D. Anderson descubre un antielectrón, el positrón, en una cámara de nubes |
| 1936 | Alexander Langsdorf modificó la cámara para producir su variante moderna, la cámara de difusión. El uso de hielo seco para formar un gradiente de temperatura significaba que siempre había una región sobresaturada, por lo que las partículas podían detectarse constantemente |
| 1947 | G.D. Rochester y Clifford Charles Butler publican las primeras imágenes de la cámara de nubes que muestran evidencias de kaones |
¿Por qué fueron sustituidas las cámaras de nubes?
Las cámaras de nubes fueron el principal tipo de detector utilizado en la física de partículas hasta la década de 1950, cuando fueron sustituidas por las cámaras de burbujas y las cámaras de chispas. Se trata de dispositivos más sensibles y prácticos que permiten realizar mediciones más detalladas y precisas de las propiedades de las partículas.
Lecturas adicionales
- Sitio de la cámara de nubes de Discovering Particles
- Página de la cámara de nubes de Cambridge Physics
- Cómo construir una cámara de nubes en casa. (CERN)
- Actividades de la cámara de nubes para colegios (Universidad de Birmingham)
Imágenes
Aquí se muestran algunas fotos de la cámara de nubes de la pecera de Birmingham.
Apéndice
Para encontrar una explicación matemática algo más técnica de por qué se produce la sobresaturación en una cámara de nubes, haga clic aquí.