¿Qué es la cámara de burbujas? Definición

En la cámara de burbujas, las huellas de partículas subatómicas se revelan como rastros de burbujas en un líquido calentado justo debajo de su punto de ebullición, generalmente hidrógeno líquido. Dosimetría de radiación
Partícula Alfa - Cámara Nube
Partículas alfa y electrones (desviados por un campo magnético) de una barra de torio en una cámara de nubes.
Fuente: wikipedia.org

Las cámaras de burbujas son detectores de partículas, que se basan en principios similares a las cámaras de nubes. En la cámara de burbujas, las huellas de partículas subatómicas se revelan como rastros de burbujas en un líquido calentado justo debajo de su punto de ebullición, generalmente hidrógeno líquido. Las cámaras de burbujas se pueden hacer físicamente más grandes que las cámaras de nubes, y como están llenas de material líquido mucho más denso, revelan las huellas de partículas mucho más energéticas. Una partícula cargada de energía (por ejemplo, una partícula alfa o beta) interactúa con el líquido y el líquido entra en una fase sobrecalentada y metaestable. Alrededor de la pista de ionización, el líquido se vaporiza, formando burbujas microscópicas. La densidad de burbujas alrededor de una pista es proporcional a la pérdida de energía de una partícula.

Debe enfatizarse que las burbujas que en estos dispositivos forman pistas crecen en iones creados por el paso de partículas ionizantes. Por lo tanto, este proceso de ionización debe ser analizado. Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente , por lo tanto, el conocimiento de esta interacción, cómo las diferentes partículas depositan energía en la materia y cuánta energía depositan las partículas, es fundamental para nuestra comprensión del problema. Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar directamente los átomos. Partículas alfason bastante masivos y llevan una carga doble positiva, por lo que tienden a viajar solo una corta distancia y no penetran mucho en el tejido, si es que lo hacen. Sin embargo, las partículas alfa depositarán su energía en un volumen más pequeño (posiblemente solo unas pocas células si entran en un cuerpo) y causarán más daño a esas pocas células. Como resultado, las partículas alfa dejan un rastro corto pero significativo en la cámara.

Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa. Por lo tanto, las partículas beta dejan un rastro más largo pero menos visible en la cámara.

Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de la nube, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz.

Información de ionización y seguimiento

Cabe destacar que las gotas que en estos dispositivos forman pistas crecen en iones creados por el paso de partículas ionizantes. Por lo tanto, este proceso de ionización debe ser analizado. Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente , por lo tanto, el conocimiento de esta interacción, cómo las diferentes partículas depositan energía en la materia y cuánta energía depositan las partículas, es fundamental para nuestra comprensión del problema. Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar directamente los átomos. Partículas alfason bastante masivos y llevan una carga doble positiva, por lo que tienden a viajar solo una corta distancia y no penetran mucho en el tejido, si es que lo hacen. Sin embargo, las partículas alfa depositarán su energía en un volumen más pequeño (posiblemente solo unas pocas células si entran en un cuerpo) y causarán más daño a esas pocas células. Como resultado, las partículas alfa dejan un rastro corto pero significativo en la cámara.

Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa. Por lo tanto, las partículas beta dejan un rastro más largo pero menos visible en la cámara.

Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de la nube, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz.

Según datos experimentales, la ionización específica dN / dx en cámaras de nubes, definida como el número medio de iones producidos por unidad de longitud por una partícula que pasa, se describe bien en una primera aproximación tanto para electrones como para partículas más masivas mediante la ecuación de Bethe .

Poder de frenado – Bethe Formula

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . El poder de detención lineal del material se define como la relación de la pérdida de energía diferencial para la partícula dentro del material con la longitud del camino diferencial correspondiente :

, donde T es la energía cinética de la partícula cargada, nion es el número de pares de iones de electrones formados por unidad de longitud de camino, e denota la energía promedio necesaria para ionizar un átomo en el medio. Para partículas cargadas, S aumenta a medida que disminuye la velocidad de las partículas . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe. La fórmula no relativista fue encontrada por Hans Bethe en 1930. La versión relativista (ver más abajo) también fue encontrada por Hans Bethe en 1932.

En esta expresión, m es la masa en reposo del electrón, β es igual a v / c, lo que expresa la velocidad de la partícula en relación con la velocidad de la luz, γ es el factor de Lorentz de la partícula, Q es igual a su carga, Z es el número atómico del medio yn es la densidad de átomos en el volumen. Para las partículas no relativistas (las partículas cargadas pesadas son en su mayoría no relativistas), dT / dx depende de 1 / v 2 . Esto se puede explicar por el mayor tiempo que la partícula cargada pasa en el campo negativo del electrón, cuando la velocidad es baja.

La naturaleza de la interacción de una radiación beta con la materia es diferente de la radiación alfa , a pesar de que las partículas beta también son partículas cargadas. En comparación con las partículas alfa, las partículas beta tienen una masa mucho menor y alcanzan principalmente energías relativistas . Su masa es igual a la masa de los electrones orbitales con los que están interactuando y, a diferencia de la partícula alfa, una fracción mucho mayor de su energía cinética se puede perder en una sola interacción. Dado que las partículas beta alcanzan principalmente energías relativistas, la fórmula Bethe  no relativista no se puede utilizar. Para electrones de alta energía, Bethe también ha derivado una expresión similarpara describir la pérdida de energía específica debido a la excitación e ionización (las «pérdidas por colisión»).

Fórmula Bethe modificada para partículas beta.
Fórmula Bethe modificada para partículas beta.

Además, las partículas beta pueden interactuar mediante la interacción electrón-nuclear (dispersión elástica de los núcleos), lo que puede cambiar significativamente la dirección de la partícula beta . Por lo tanto, su camino no es tan sencillo. Las partículas beta siguen un camino muy en zig-zag a través del material absorbente, este camino resultante de partículas es más largo que la penetración lineal (rango) en el material.

Las partículas beta también difieren de otras partículas cargadas pesadas en la fracción de energía perdida por el proceso radiativo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung («radiación de frenado») .

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