Een Cloud Chamber is een apparaat dat wordt gebruikt om ioniserende deeltjes te detecteren en hun traject te bepalen. Het toont niet de deeltjes zelf, maar waar ze geweest zijn: de deeltjes vormen een condensatiespoor in de kamer dat zichtbaar is als een fijne nevel, en dit toont het pad van een deeltje door de kamer.
Wat detecteert het?
Wolkamertjes worden gebruikt om ioniserende deeltjes te detecteren. Deze kunnen elk elektrisch geladen deeltje omvatten dat door de kamer passeert; en de hoeveelheid ionisatie kan worden afgeleid uit de sporen in de kamer en worden gebruikt om de eigenschappen en de identiteit van een deeltje te bepalen. Wolkenkamers werden vooral gebruikt om radioactieve elementen te bestuderen, aangezien alfa-, bèta- en gammastraling allemaal ioniserend zijn (waarbij alfa het meest ioniserend is). Kosmische straling kan ook worden gedetecteerd door wolkkamers, aangezien de secundaire straling die wordt gevormd in deeltjesbuien ioniserende deeltjes zijn, zoals muonen en elektronen. Kosmische straling werd een intensief studiegebied voor vonkkamers
, maar de meeste van de eerste belangrijke ontdekkingen die ermee werden gedaan, zoals de ontdekking van het positron en het kaon, werden in wolkkamers gedaan.
Hoe werkt het?
De eerste nevelkamer gebruikte lucht verzadigd met water in een glazen kamer. De bodem van deze kamer kon naar beneden worden getrokken om het volume van de kamer te vergroten, waardoor het gas in de kamer ook uitzette, en als zodanig arbeid verrichtte. Deze verandering is echter adiabatisch – er is geen warmteoverdracht. De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie behouden blijft en niet kan worden gecreëerd of vernietigd, dus weten we dat de energie voor deze expansie ergens vandaan moet komen; in dit geval de inwendige energie van het gas. De inwendige energie is gerelateerd aan de temperatuur van de moleculen in het gas, dus als de kamer uitzet, daalt de temperatuur. Hierdoor condenseert de waterdamp bijna, waardoor hij oververzadigd raakt (zie de bijlage voor meer details). Als een ioniserend deeltje, zoals alfa- of bètastraling, door deze damp gaat, werken de gevormde ionen als condensatiepunten voor de omringende damp, wat leidt tot de vorming van zichtbare wolken.Modernere wolkenkamers (bekend als diffusiekamers) werken anders dan het oorspronkelijke apparaat, aangezien zij alcohol in plaats van water gebruiken en het volume van de kamer niet veranderen, maar in plaats daarvan droog ijs gebruiken om de basis van de kamer te koelen. De alcohol is gedrenkt in een weefsel boven in de kamer, dat veel warmer is dan de bodem van de kamer; de alcoholdampen vallen daardoor naar de bodem van de tank, waar zij een punt van oververzadiging bereiken. Ioniserende deeltjes die door de damp gaan, verschijnen op precies dezelfde manier als bij het oorspronkelijke water, zoals hierboven beschreven.De wolksporen kunnen worden gefotografeerd voor verdere observatie om de aard van het deeltje dat het spoor veroorzaakte te bepalen; zo suggereren frequente veranderingen van richting frequente interacties met gasmoleculen, wat gewoonlijk blijkt uit alfadeeltjes (de meest ioniserende vorm van straling). Een elektrisch of magnetisch veld kan over de kamer worden aangelegd, waardoor geladen deeltjes gaan krommen. Positieve en negatieve deeltjes krommen in verschillende richtingen, waardoor ze van elkaar te onderscheiden zijn.
Ontwikkeling van de wolkenkamer
| Jaar | Ontwikkeling |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson vindt de wolkenkamer uit om kleine wolken te maken in het laboratorium, vanwege zijn belangstelling voor hun vorming en de daarmee gepaard gaande elektrische en optische verschijnselen |
| 1910 | Wilson realiseert zich dat de wolkenkamer kan worden gebruikt bij de taak van het identificeren en beschrijven van nieuw ontdekte subatomaire deeltjes uitgezonden door radioactieve materialen |
| 1924 | Patrick Blackett gebruikt de wolkenkamer om de transmutatie van stikstof in fluor waar te nemen, dat vervolgens uiteenviel in zuurstof |
| 1932 | Blackett en Giuseppe Occhialini ontwikkelden een systeem van geigertellers die alleen foto’s namen wanneer een kosmische straal de kamer binnenkwam. Blackett had ook een andere manier bedacht om het onderzoekswerk te versnellen, door gebruik te maken van een op een veer gemonteerd diafragma om de kamer snel weer in te stellen op de omstandigheden die nodig waren om een wolkenspoor waar te nemen |
| 1933 | Carl D. Anderson ontdekt een anti-elektron, het positron, in een wolkenkamer |
| 1936 | Alexander Langsdorf wijzigde de kamer om zijn moderne variant, de diffusiekamer, te produceren. Het gebruik van droog ijs om een temperatuurgradiënt te vormen betekende dat er altijd een oververzadigd gebied was, zodat deeltjes voortdurend konden worden gedetecteerd |
| 1947 | G.D. Rochester en Clifford Charles Butler publiceren de eerste wolkenkamerbeelden die bewijs tonen voor kaon |
Waar werden wolkenkamers door vervangen?
Wolkenkamers waren het belangrijkste type detector dat in de deeltjesfysica werd gebruikt tot de jaren 1950, toen zij werden vervangen door bubbelkamers en vonkkamers. Dit zijn meer gevoelige en praktische apparaten waarmee meer gedetailleerde en nauwkeurige metingen van deeltjeseigenschappen kunnen worden verricht.
Meer lezen
- Discovering Particles cloud chamber site
- Cambridge Physics cloud chamber page
- Hoe bouw je thuis een cloud chamber? (CERN)
- Activiteiten in de wolkenkamer voor scholen (Birmingham University)
Afbeeldingen
Enkele foto’s van de wolkenkamer in de vistank van Birmingham zijn hier te zien.
Bijlage
Voor een iets technischer wiskundige uitleg van waarom oververzadiging optreedt in een wolkenkamer, klik hier.