Camera norilor este un dispozitiv utilizat pentru a detecta particulele ionizante și pentru a determina traiectoriile acestora. Nu arată particulele în sine, ci unde au fost: particulele formează o dâră de condensare în cameră, care este vizibilă ca o ceață fină, iar aceasta arată traiectoria unei particule prin cameră.
Ce detectează?
Camerele de nor sunt folosite pentru a detecta particule ionizante. Acestea pot include orice particulă încărcată electric care trece prin cameră; iar cantitatea de ionizare poate fi dedusă din urmele din cameră și utilizată pentru a determina proprietățile și identitatea unei particule. Camerele noroase au fost utilizate în special pentru a studia elementele radioactive, deoarece radiațiile alfa, beta și gama sunt toate ionizante (cea mai mare fiind cea alfa). Razele cosmice pot fi, de asemenea, detectate de camerele cu nori, deoarece razele secundare formate în ploile de particule sunt particule ionizante, cum ar fi muoni și electroni. Razele cosmice au devenit un domeniu de studiu intens pentru camerele cu scântei
, dar majoritatea descoperirilor inițiale majore făcute de acestea, cum ar fi descoperirea pozitronului și a kaonului, au fost făcute în camerele cu nori.
Cum funcționează?
Prima cameră cu nori a folosit aer saturat cu apă într-o cameră de sticlă. Partea de jos a acestei camere putea fi trasă în jos pentru a mări volumul camerei, ceea ce făcea ca și gazul din ea să se extindă și el și, ca atare, să lucreze. Totuși, această schimbare este adiabatică – nu implică niciun transfer de căldură. Prima lege a termodinamicii stipulează că energia se conservă și nu poate fi creată sau distrusă, deci știm că energia pentru această expansiune trebuie să provină de undeva; în acest caz, din energia internă a gazului. Energia internă este legată de temperatura moleculelor din gaz, astfel încât, dacă camera se dilată, temperatura scade. Astfel, vaporii de apă sunt aproape de condensare, devenind suprasaturați (a se vedea apendicele pentru mai multe detalii). Dacă o particulă ionizantă, cum ar fi radiația alfa sau beta, trece prin acești vapori, atunci ionii formați acționează ca puncte de condensare pentru vaporii înconjurători, ceea ce duce la formarea norilor vizibili.Camerele de nori mai moderne (cunoscute sub numele de camere de difuzie) funcționează diferit față de aparatul original, deoarece folosesc alcool în loc de apă și nu modifică volumul camerei, ci folosesc gheață carbonică pentru a răci baza camerei. Alcoolul este îmbibat într-un țesut aflat în partea superioară a camerei, care este mult mai cald decât baza camerei; vaporii de alcool cad astfel la baza rezervorului, unde ajung la un punct de suprasaturație. Particulele ionizante care trec prin vapori se manifestă exact în același mod ca și în cazul apei originale detaliate mai sus. urmele de nori pot fi fotografiate pentru observații ulterioare în vederea determinării naturii particulei care a provocat urma; de exemplu, schimbările frecvente de direcție sugerează interacțiuni frecvente cu moleculele de gaz, ceea ce se manifestă în mod normal prin particule alfa (cea mai ionizantă formă de radiație). Un câmp electric sau magnetic poate fi aplicat de-a lungul camerei, ceea ce va face ca particulele încărcate să se curbeze. Particulele pozitive și negative se curbează în direcții diferite, ceea ce le face să se distingă una de cealaltă.
Dezvoltarea camerei norilor
| Anul | Dezvoltare |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson inventează camera de nori pentru a face nori mici în laborator, datorită interesului său pentru formarea lor și pentru fenomenele electrice și optice asociate cu aceștia |
| 1910 | Wilson își dă seama că camera cu nori ar putea fi folosită în sarcina identificării și descrierii particulelor subatomice nou descoperite, emise de materialele radioactive |
| 1924 | Patrick Blackett folosește camera cu nori pentru a observa transmutarea azotului în fluor, care apoi se dezintegrează în oxigen |
| 1932 | Blackett și Giuseppe Occhialini au dezvoltat un sistem de contoare Geiger care făceau fotografii doar atunci când o rază cosmică intra în cameră. Blackett a conceput, de asemenea, o altă modalitate de a accelera munca de cercetare, folosind o diafragmă montată pe arc pentru a reajusta rapid camera înapoi la condițiile necesare pentru a observa o urmă de nor |
| 1933 | Carl D. Anderson descoperă un antielectron, pozitronul, într-o cameră de nor |
| 1936 | Alexander Langsdorf a modificat camera pentru a produce varianta sa modernă, camera de difuzie. Folosind gheață carbonică pentru a forma un gradient de temperatură, a însemnat că exista întotdeauna o regiune suprasaturată, astfel încât particulele puteau fi detectate constant |
| 1947 | G.D. Rochester și Clifford Charles Butler publică primele imagini ale camerei de nori care arată dovezi pentru kaon |
Cu ce au fost înlocuite camerele de nori?
Camerele cu nori au fost principalul tip de detector folosit în fizica particulelor până în anii 1950, când au fost înlocuite de camerele cu bule și camerele cu scântei. Acestea sunt dispozitive mai sensibile și mai practice, care permit efectuarea unor măsurători mai detaliate și mai precise ale proprietăților particulelor.
Lecturi suplimentare
- Site-ul Discovering Particles camera cu nori
- Pagina camerei cu nori de la Cambridge Physics
- Cum se construiește o cameră cu nori acasă (CERN)
- Activități cu camera norilor pentru școli (Universitatea din Birmingham)
Imagini
Câteva imagini ale camerei norilor din acvariul din Birmingham sunt prezentate aici.
Apendice
Pentru a găsi o explicație matematică ceva mai tehnică a motivului pentru care apare suprasaturarea într-o cameră cu nori, faceți clic aici.