En Cloud Chamber är en anordning som används för att upptäcka joniserande partiklar och bestämma deras banor. Den visar inte själva partiklarna, utan var de har varit: partiklarna bildar ett kondensationsspår i kammaren som är synligt som en fin dimma, och detta visar en partikels väg genom kammaren.
Vad upptäcker den?
Molnkammare används för att upptäcka joniserande partiklar. Dessa kan inkludera alla elektriskt laddade partiklar som passerar genom kammaren; och mängden jonisering kan härledas från spåren i kammaren och användas för att bestämma en partikels egenskaper och identitet. Molnkammare användes särskilt för att studera radioaktiva element, eftersom alfa-, beta- och gammastrålning alla är joniserande (alfa är den mest joniserande). Kosmisk strålning kan också detekteras med hjälp av molnkammare, eftersom den sekundära strålning som bildas i partikelregn är joniserande partiklar, t.ex. myoner och elektroner. Kosmisk strålning blev ett intensivt undersökningsområde för gnistkamrar
, men de flesta av de första stora upptäckter som gjordes utifrån dem, såsom upptäckten av positron och kaon, gjordes i molnkamrar.
Hur fungerar det?
I den första molnkammaren användes luft mättad med vatten i en glaskammare. Botten av denna kammare kunde dras ner för att öka kammarens volym, vilket ledde till att gasen i kammaren också expanderade och på så sätt utförde arbete. Denna förändring är dock adiabatisk – innebär ingen värmeöverföring. Enligt termodynamikens första lag är energi bevarad och kan inte skapas eller förstöras, så vi vet att energin för denna expansion måste ha kommit någonstans ifrån, i det här fallet gasens inre energi. Den inre energin är relaterad till temperaturen hos molekylerna i gasen, så om kammaren expanderar sjunker temperaturen. Detta gör att vattenångan närmar sig kondensering, vilket gör att den blir övermättad (se tillägget för mer information). Om en joniserande partikel, t.ex. alfa- eller betastrålning, passerar genom denna ånga fungerar de joner som bildas som kondensationspunkter för den omgivande ångan, vilket leder till att synliga moln bildas.Modernare molnkammare (s.k. diffusionskammare) fungerar på ett annat sätt än den ursprungliga apparaten, eftersom de använder alkohol i stället för vatten och inte ändrar kammarens volym, utan i stället använder torris för att kyla kammarens botten. Alkoholen blötläggs i en vävnad högst upp i kammaren, som är mycket varmare än kammarens botten; alkoholångorna faller därför ner till bassängens botten, där de når en övermättnadspunkt. Joniserande partiklar som passerar genom ångorna visar sig på exakt samma sätt som med det ursprungliga vattnet som beskrivs ovan. molnspåren kan fotograferas för vidare observation för att avgöra vilken typ av partikel som orsakade spåret; t.ex. tyder frekventa riktningsförändringar på frekventa interaktioner med gasmolekyler, vilket normalt visas av alfapartiklar (den mest joniserande formen av strålning). Ett elektriskt eller magnetiskt fält kan appliceras över kammaren, vilket kommer att få laddade partiklar att kröka. Positiva och negativa partiklar kröker sig i olika riktningar, vilket gör att de kan särskiljas från varandra.
Utveckling av molnkammaren
| År | Utveckling |
|---|---|
| 1894-5 | Charles T.R. Wilson uppfinner molnkammaren för att göra små moln i laboratoriet, på grund av sitt intresse för deras bildning och de elektriska och optiska fenomen som är förknippade med dem | 1910 | Wilson inser att molnkammaren skulle kunna användas för att identifiera och beskriva nyupptäckta subatomära partiklar som avges av radioaktiva material | 1924 | Patrick Blackett använder molnkammaren för att observera transmutationen av kväve till fluor, som sedan sönderdelades till syre |
| 1932 | Blackett och Giuseppe Occhialini utvecklade ett system med Geigerräknare som bara tog fotografier när en kosmisk stråle kom in i kammaren. Blackett hade också utarbetat ett annat sätt att påskynda forskningsarbetet genom att använda ett fjädermonterat membran för att snabbt återjustera kammaren till de förhållanden som krävs för att observera ett molnspår |
| 1933 | Carl D. Anderson upptäcker en antielektron, positronen, i en molnkammare |
| 1936 | Alexander Langsdorf modifierade kammaren för att skapa dess moderna variant, diffusionskammaren. Genom att använda torris för att bilda en temperaturgradient fanns det alltid ett övermättat område, så att partiklar kunde detekteras konstant |
| 1947 | G.D. Rochester och Clifford Charles Butler publicerar de första bilderna från en molnkammare som visar bevis för kaon |
Vad ersattes molnkammare av?
Molnkammare var den huvudsakliga typen av detektor som användes inom partikelfysiken fram till 1950-talet, då de ersattes av bubbelkammare och gnistkammare. Dessa är mer känsliga och praktiska anordningar som gör det möjligt att göra mer detaljerade och exakta mätningar av partikelegenskaper.
Ytterligare läsning
- Upptäckande av partikelns molnkammare
- Cambridge Physics sida om molnkammare
- Hur man bygger en molnkammare hemma. (CERN)
- Molnkammaraktiviteter för skolor (Birmingham University)
Bilder
Här visas några bilder av molnkammaren i Birminghams fisktank.
Appendix
För att hitta en något mer teknisk matematisk förklaring till varför övermättnad uppstår i en molnkammare, klicka här.