A Cloud Chamber é um dispositivo utilizado para detectar partículas ionizantes e determinar as suas trajectórias. Não mostra as partículas em si, mas onde elas estiveram: as partículas formam um rasto de condensação na câmara que é visível como uma fina névoa, e isto mostra o caminho de uma partícula através da câmara.
O que Detecta?
Câmaras de nuvens são usadas para detectar partículas ionizantes. Estas podem incluir qualquer partícula carregada eletricamente que passe através da câmara; e a quantidade de ionização pode ser deduzida das trilhas na câmara e usada para determinar as propriedades e identidade de uma partícula. As câmaras de nuvens foram particularmente usadas para estudar elementos radioactivos, uma vez que as radiações alfa, beta e gama são todas ionizantes (sendo a alfa a mais ionizante). Os raios cósmicos também podem ser detectados por câmaras de nuvens, uma vez que os raios secundários formados nos chuveiros de partículas são partículas ionizantes, tais como muões e electrões. Os raios cósmicos tornaram-se uma área de estudo intensa para as câmaras de centelhas
, mas a maioria das grandes descobertas iniciais feitas a partir delas, como a descoberta do positron e do kaon, foram feitas em câmaras de nuvens.
Como Funciona?
A primeira câmara de nuvens usou ar saturado com água em uma câmara de vidro. O fundo desta câmara podia ser puxado para baixo para aumentar o volume da câmara, fazendo com que o gás dentro dela também se expandisse, e como tal, funcionava. No entanto esta mudança é adiabática – não envolve transferência de calor. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia é conservada e não pode ser criada ou destruída, então sabemos que a energia para esta expansão tem que ter vindo de algum lugar; neste caso, a energia interna do gás. A energia interna está relacionada com a temperatura das moléculas no gás, portanto, se a câmara expande, a temperatura cai. Isto faz com que o vapor de água se aproxime da condensação, tornando-a supersaturada (ver Apêndice para mais detalhes). Se uma partícula ionizante, como a radiação alfa ou beta, passar através deste vapor, então os iões formados actuam como pontos de condensação do vapor circundante, levando à formação de nuvens visíveis.As câmaras de nuvens mais modernas (conhecidas como câmaras de difusão) funcionam de forma diferente do aparelho original, uma vez que utilizam álcool em vez de água e não alteram o volume da câmara, mas utilizam gelo seco para arrefecer a base da câmara. O álcool é embebido num tecido no topo da câmara, que é muito mais quente que a base da câmara; os vapores de álcool caem, portanto, para a base do tanque, onde atingem um ponto de supersaturação. As partículas ionizantes que passam através do vapor aparecem exactamente da mesma forma que a água original detalhada acima. Os rastos de nuvens podem ser fotografados para observação posterior para determinar a natureza da partícula que causou o rasto; por exemplo, mudanças frequentes de direcção sugerem interacções frequentes com moléculas de gás, o que normalmente é mostrado pelas partículas alfa (a forma mais ionizante de radiação). Um campo eléctrico ou magnético pode ser aplicado através da câmara, o que fará com que as partículas carregadas se curvem. As partículas positivas e negativas curvam em diferentes direcções, tornando-as distinguíveis umas das outras.
Desenvolvimento da Câmara de Nuvem
| Ano | Desenvolvimento |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson inventa a câmara de nuvens para fazer pequenas nuvens no laboratório, devido ao seu interesse na sua formação e nos fenómenos eléctricos e ópticos a eles associados |
| 1910 | Wilson percebe que a câmara de nuvens pode ser usada na tarefa de identificar e descrever partículas subatómicas recentemente descobertas emitidas por materiais radioactivos |
| 1924 | Patrick Blackett utiliza a câmara de nuvens para observar a transmutação do azoto em flúor, que depois se desintegrou em oxigénio |
| 1932 | Blackett e Giuseppe Occhialini desenvolveram um sistema de contadores de Geiger que só recolheu fotógrafos quando um raio cósmico entrou na câmara. Blackett também tinha concebido outra forma de acelerar o trabalho de pesquisa, usando um diafragma montado em mola para reajustar rapidamente a câmara de volta às condições necessárias para observar um traço de nuvem |
| 1933 | Carl D. Anderson descobre um anti-electrão, o positron, numa câmara de nuvem |
| 1936 | Alexander Langsdorf modificou a câmara para produzir a sua variante moderna, a câmara de difusão. Usando gelo seco para formar um gradiente de temperatura significava que havia sempre uma região supersaturada, assim as partículas podiam ser detectadas constantemente |
| 1947 | G.D. Rochester e Clifford Charles Butler publicam as primeiras imagens da câmara de nuvens mostrando evidências de kaon |
Por que foram substituídas as câmaras de nuvens?
As câmaras de nuvens foram o principal tipo de detector usado na física de partículas até os anos 50, quando foram substituídas por câmaras de bolhas e câmaras de faíscas. Estes são dispositivos mais sensíveis e práticos que permitem realizar medições mais detalhadas e precisas das propriedades das partículas.
Leitura adicional
- Descobrindo o site da câmara de nuvens de partículas
- Cambridge Physics cloud chamber page
- Como construir uma câmara de nuvens em casa (CERN)
- Atividades da Câmara de Nuvens para Escolas (Universidade de Birmingham)
Fotos
Algumas fotos da câmara de nuvens do aquário de peixes de Birmingham são mostradas aqui.
Apêndice
Para encontrar uma explicação matemática um pouco mais técnica do porquê da supersaturação ocorrer numa câmara de nuvens, clique aqui.