Komora Cloud jest urządzeniem używanym do wykrywania cząstek jonizujących i określania ich trajektorii. Nie pokazuje samych cząstek, ale to, gdzie one były: cząstki tworzą w komorze smugę kondensacyjną, która jest widoczna jako delikatna mgiełka, a to pokazuje drogę cząstki przez komorę.
Co wykrywa?
Komory chmurowe są używane do wykrywania cząstek jonizujących. Mogą to być dowolne cząstki naładowane elektrycznie, które przechodzą przez komorę; ilość jonizacji może być wydedukowana na podstawie śladów w komorze i użyta do określenia właściwości i tożsamości cząstki. Komory chmurowe były szczególnie wykorzystywane do badania pierwiastków promieniotwórczych, ponieważ promieniowanie alfa, beta i gamma są jonizujące (przy czym alfa jest najbardziej). Promieniowanie kosmiczne może być również wykrywane przez komory chmurowe, ponieważ promienie wtórne powstające podczas pokazów cząstek są cząstkami jonizującymi, takimi jak miony i elektrony. Promienie kosmiczne stały się intensywnym obszarem badań dla komór iskrowych
, ale większość początkowych głównych odkryć dokonanych dzięki nim, takich jak odkrycie pozytonu i kaonu, zostało dokonanych w komorach chmurowych.
Jak to działa?
Pierwsza komora chmurowa używała powietrza nasyconego wodą w szklanej komorze. Dno tej komory można było pociągnąć w dół, aby zwiększyć jej objętość, co powodowało, że znajdujący się w niej gaz również się rozszerzał i jako taki wykonywał pracę. Jednak ta zmiana jest adiabatyczna – nie wiąże się z wymianą ciepła. Pierwsze prawo termodynamiki mówi, że energia jest zachowana i nie może być tworzona ani niszczona, więc wiemy, że energia dla tej ekspansji musiała skądś pochodzić; w tym przypadku z energii wewnętrznej gazu. Energia wewnętrzna jest związana z temperaturą molekuł w gazie, więc jeśli komora się rozszerza, temperatura spada. Powoduje to, że para wodna jest bliska skroplenia, przez co staje się przesycona (więcej szczegółów w załączniku). Jeśli cząstka jonizująca, taka jak promieniowanie alfa lub beta, przechodzi przez tę parę, wtedy powstałe jony działają jak punkty kondensacji dla otaczającej pary, prowadząc do powstania widocznych chmur.Bardziej nowoczesne komory chmur (znane jako komory dyfuzyjne) działają inaczej niż oryginalny aparat, ponieważ używają alkoholu zamiast wody i nie zmieniają objętości komory, ale zamiast tego używają suchego lodu do chłodzenia podstawy komory. Alkohol jest nasączony chusteczką znajdującą się w górnej części komory, która jest znacznie cieplejsza niż dno komory; pary alkoholu opadają zatem do dna zbiornika, gdzie osiągają punkt przesycenia. Cząstki jonizujące, które przechodzą przez opary, pokazują się dokładnie w taki sam sposób, jak w przypadku oryginalnej wody opisanej powyżej. Ślady chmur można sfotografować w celu dalszej obserwacji, aby określić charakter cząstki, która spowodowała ślad; na przykład częste zmiany kierunku sugerują częste interakcje z cząsteczkami gazu, co jest zwykle wykazywane przez cząstki alfa (najbardziej jonizująca forma promieniowania). W komorze można zastosować pole elektryczne lub magnetyczne, które spowoduje zakrzywienie naładowanych cząstek. Cząstki dodatnie i ujemne zakrzywiają się w różnych kierunkach, dzięki czemu można je od siebie odróżnić.
Rozwój komory chmurowej
| Rok | Rozwój |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson wynajduje komorę chmurową do wytwarzania małych chmur w laboratorium, ze względu na zainteresowanie ich powstawaniem oraz zjawiskami elektrycznymi i optycznymi z nimi związanymi |
| 1910 | Wilson zdaje sobie sprawę, że komora chmurowa mogłaby zostać wykorzystana do zadania identyfikacji i opisu nowo odkrytych cząstek subatomowych emitowanych przez materiały radioaktywne |
| 1924 | Patrick Blackett wykorzystuje komorę chmurową do obserwacji transmutacji azotu w fluor, który następnie rozpadł się na tlen |
| 1932 | Blackett i Giuseppe Occhialini opracowali system liczników Geigera, które robiły zdjęcia tylko wtedy, gdy do komory wpadł promień kosmiczny. Blackett wymyślił także inny sposób na przyspieszenie prac badawczych, wykorzystując zamontowaną na sprężynie membranę do szybkiego ponownego ustawienia komory do warunków wymaganych do obserwacji śladu chmury |
| 1933 | Carl D. Anderson odkrywa antyelektron, pozyton, w komorze chmurowej |
| 1936 | Alexander Langsdorf zmodyfikował komorę, tworząc jej współczesną odmianę, komorę dyfuzyjną. Użycie suchego lodu do utworzenia gradientu temperatury oznaczało, że zawsze istniał obszar przesycony, więc cząstki mogły być wykrywane w sposób ciągły |
| 1947 | G.D. Rochester i Clifford Charles Butler publikują pierwsze obrazy z komory chmurowej pokazujące dowody na istnienie kaonów |
Czym zastąpiono komory chmurowe?
Komory chmurowe były głównym typem detektorów używanych w fizyce cząstek elementarnych do lat 50-tych, kiedy to zostały zastąpione przez komory pęcherzykowe i komory iskrowe. Są to bardziej czułe i praktyczne urządzenia, które pozwalają na bardziej szczegółowe i precyzyjne pomiary własności cząstek.
Dalsza lektura
- Strona komory chmurowej Discovering Particles
- Strona komory chmurowej Cambridge Physics
- Jak zbudować komorę chmurową w domu (CERN)
- Zajęcia w komorze chmurowej dla szkół (Uniwersytet Birmingham)
Obrazy
Tutaj przedstawiono kilka zdjęć komory chmurowej w akwarium rybnym w Birmingham.
Dodatek
Aby znaleźć nieco bardziej techniczne matematyczne wyjaśnienie dlaczego przesycenie występuje w komorze chmurowej, kliknij tutaj.