O que é Cloud Chamber – Definição

As câmaras de nuvem, também conhecidas como câmaras de nuvem Wilson, são detectores de partículas, que foram dispositivos essenciais na pesquisa inicial sobre física nuclear e de partículas. Dosimetria de Radiação
Alpha Particle - Cloud Chamber
Partículas alfa e elétrons (desviados por um campo magnético) de uma haste de tório em uma câmara de nuvens.
Fonte: wikipedia.org

As câmaras de nuvem , também conhecidas como câmaras de nuvem Wilson , são detectores de partículas, que foram dispositivos essenciais na pesquisa inicial sobre física nuclear e de partículas. As câmaras de nuvens, um dos instrumentos mais simples para estudar partículas elementares , foram substituídas por detectores mais modernos em pesquisas reais, mas continuam sendo aparelhos pedagógicos muito interessantes.

Cloud Chamber – Princípio de Operação

O princípio fundamental por trás deles é a supersaturação de uma substância de vapor , um estado em que o ar, ou qualquer outro gás, contém mais vapor dessa substância do que pode manter em um equilíbrio estável. Uma partícula carregada energética (por exemplo, uma partícula alfa ou beta ) interage com a mistura de vapor e cria uma trilha de íons , que sob condições de supersaturação atuam como núcleos de condensação em torno dos quais se forma uma trilha de pequenas gotículas em forma de névoa, se a mistura de gás for no ponto de condensação.

Diagrama - câmara da nuvem
Uma câmara de nuvens do tipo difusão. O álcool (normalmente isopropanol) é evaporado por um aquecedor em um duto na parte superior da câmara. O vapor de resfriamento desce para a placa refrigerada preta, onde se condensa. Devido ao gradiente de temperatura, uma camada de vapor supersaturado é formada acima da placa inferior. Nesta região, as partículas de radiação induzem condensação e criam trilhas nas nuvens. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY-SA 4.0

Essas gotículas são visíveis como uma faixa de “nuvem” que persiste por vários segundos enquanto as gotículas caem pelo vapor. A condensação do vapor nesses núcleos permite a identificação visual das trajetórias das partículas, levando a um estudo direto de suas propriedades. Na câmara original de Wilson, o ar no interior do dispositivo selado era saturado com vapor de água; em seguida, um diafragma era usado para expandir o ar dentro da câmara (expansão adiabática), resfriando o ar e começando a condensar o vapor de água. Portanto, o nome de câmara de nuvem de expansão é usado. A primeira antipartícula, o pósitron, o múon e a primeira partícula estranha, o kaon, também foram identificados pela câmara das nuvens.

Câmara de Nuvem de Difusão

Embora as câmaras de nuvens de difusão nunca tenham sido amplamente utilizadas na pesquisa de física nuclear e de partículas, sendo fácil criar um material, elas continuam sendo instrumentos educacionais interessantes . Uma câmara de nuvem de difusão difere da câmara de nuvem de expansão, pois é continuamente sensibilizada à radiação, e o fundo deve ser resfriado a uma temperatura bastante baixa, geralmente mais fria que -26 ° C (-15 ° F). Em vez de vapor de água, o álcool é usado devido ao seu baixo ponto de congelamento. Atualmente, eles são uma maneira fácil de aprender e visualizar partículas e radiação elementares.

Ionização e informações sobre trilhas

Deve-se enfatizar que gotas que nesses dispositivos formam faixas crescem em íons criados pela passagem de partículas ionizantes. Assim, esse processo de ionização deve ser analisado. Cada tipo de partícula interage de maneira diferente , portanto, o conhecimento dessa interação, como partículas diferentes depositam energia na matéria e quanta quantidade de energia deposita, é fundamental para a compreensão do problema. Por exemplo, partículas carregadas com altas energias podem ionizar diretamente átomos. Partículas alfasão bastante maciços e carregam uma carga dupla positiva; portanto, tendem a percorrer apenas uma curta distância e não penetram muito no tecido, se é que o fazem. No entanto, as partículas alfa depositam sua energia em um volume menor (possivelmente apenas algumas células se entrarem no corpo) e causam mais danos a essas poucas células. Como resultado, as partículas alfa deixam vestígios curtos, mas significativos, na câmara.

As partículas beta (elétrons) são muito menores que as partículas alfa. Eles carregam uma única carga negativa. Eles são mais penetrantes que as partículas alfa. Eles podem percorrer vários metros, mas depositam menos energia em qualquer ponto do caminho do que as partículas alfa. Portanto, as partículas beta deixam traços mais longos, mas menos visíveis, na câmara.

Se um campo magnético for aplicado através da câmara da nuvem, partículas carregadas positiva e negativamente se curvarão em direções opostas, de acordo com a lei de força de Lorentz.

De acordo com dados experimentais, a ionização específica dN / dx em câmaras de nuvem, definida como o número médio de íons produzidos por unidade de comprimento por uma partícula que passa, é bem descrita para uma primeira aproximação tanto para elétrons quanto para partículas mais massivas pela equação de Bethe .

Poder de parada – Bethe Formula

Uma variável conveniente que descreve as propriedades de ionização do meio circundante é o poder de parada . O poder de parada linear do material é definido como a razão entre a perda de energia diferencial da partícula dentro do material e o comprimento do caminho diferencial correspondente :

, onde T é a energia cinética da partícula carregada, nion é o número de pares de elétrons-íons formados por unidade de comprimento do caminho, e I denota a energia média necessária para ionizar um átomo no meio. Para partículas carregadas, S aumenta à medida que a velocidade das partículas diminui . A expressão clássica que descreve a perda de energia específica é conhecida como fórmula de Bethe. A fórmula não-relativística foi encontrada por Hans Bethe em 1930. A versão relativista (veja abaixo) também foi encontrada por Hans Bethe em 1932.

Nesta expressão, m é a massa restante do elétron, β é igual a v / c, o que expressa a velocidade da partícula em relação à velocidade da luz, γ é o fator de Lorentz da partícula, Q é igual à sua carga, Z é a número atômico do meio en é a densidade de átomos no volume. Para partículas não relativísticas (partículas carregadas pesadas são principalmente não relativísticas), dT / dx depende de 1 / v 2 . Isso pode ser explicado pelo maior tempo que a partícula carregada gasta no campo negativo do elétron, quando a velocidade é baixa.

A natureza de uma interação de uma radiação beta com a matéria é diferente da radiação alfa , apesar do fato de que as partículas beta também são partículas carregadas. Em comparação com partículas alfa, as partículas beta têm massa muito menor e atingem principalmente energias relativísticas . Sua massa é igual à massa dos elétrons orbitais com os quais eles estão interagindo e, diferentemente da partícula alfa, uma fração muito maior de sua energia cinética pode ser perdida em uma única interação. Como as partículas beta atingem principalmente as energias relativísticas, a fórmula não- relativística de Bethe  não pode ser usada. Para elétrons de alta energia, uma expressão semelhante também foi derivada por Bethedescrever a perda de energia específica devido à excitação e ionização (as “perdas colisionais”).

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

Além disso, as partículas beta podem interagir via interação elétron-nuclear (dispersão elástica dos núcleos), o que pode alterar significativamente a direção da partícula beta . Portanto, o caminho deles não é tão direto. As partículas beta seguem um caminho muito em zigue-zague através do material absorvente; esse caminho resultante da partícula é maior que a penetração linear (faixa) no material.

As partículas beta também diferem de outras partículas carregadas pesadas na fração de energia perdida pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .

Câmara de nuvens e descoberta de Positron

Os pósitrons são carregados positivamente (+ 1e), partículas quase sem massa. A sua massa de repouso igual a 9,109 x 10 -31 kg ( 510,998 keV / C 2 ) (cerca de 1/1836 de que o protão ).

Positron - Descoberta
Os antielétrons foram descobertos por Paul Dirac e Carl D. Anderson em 1932 e nomeados pósitrons. Eles estudaram colisões de raios cósmicos através de uma câmara de nuvens – um detector de partículas no qual elétrons em movimento (ou pósitrons) deixam para trás rastros enquanto se movem pelo gás. Fonte: wikipedia.org Licença: Public Domain

Como todas as partículas elementares, os elétrons exibem propriedades de partículas e ondas: eles podem colidir com outras partículas e podem ser difratados como a luz. A idéia original para antipartículas veio de uma equação de onda relativística desenvolvida em 1928 pelo cientista inglês PAM Dirac(1902-1984). Ele percebeu que sua versão relativística da equação de onda de Schrödinger para elétrons previa a possibilidade de antielétrons. Estes foram descobertos por Paul Dirac e Carl D. Anderson em 1932 e nomeados pósitrons. Eles estudaram colisões de raios cósmicos através de uma câmara de nuvens – um detector de partículas no qual elétrons em movimento (ou pósitrons) deixam para trás rastros enquanto se movem pelo gás. Os caminhos de pósitrons em uma câmara de nuvem traçam o mesmo caminho helicoidal que um elétron, mas giram na direção oposta em relação à direção do campo magnético, devido ao fato de terem a mesma magnitude da razão carga / massa, mas com carga oposta e, portanto, oposta taxas de carga / massa assinadas. Embora o próprio Dirac não tenha usado o termo antimatéria , seu uso segue naturalmente o suficiente dos antielétrons,antiprótons etc.

Câmara de bolha

As câmaras de bolhas são detectores de partículas, baseadas em princípios semelhantes às câmaras de nuvens. Na câmara de bolhas, os rastros de partículas subatômicas são revelados como trilhas de bolhas em um líquido aquecido logo abaixo do seu ponto de ebulição, geralmente hidrogênio líquido. As câmaras de bolhas podem ser fisicamente maiores que as câmaras de nuvens e, como são preenchidas com material líquido muito mais denso, revelam os rastros de partículas muito mais energéticas. Uma partícula carregada energética (por exemplo, uma partícula alfa ou beta) interage com o líquido e o líquido entra em uma fase superaquecida e metaestável. Ao redor da trilha de ionização, o líquido vaporiza, formando bolhas microscópicas. A densidade de bolhas ao redor de uma pista é proporcional à perda de energia de uma partícula.

Deve-se enfatizar que as bolhas que nesses dispositivos formam faixas crescem em íons criados pela passagem de partículas ionizantes. Assim, esse processo de ionização deve ser analisado. Cada tipo de partícula interage de maneira diferente , portanto, o conhecimento dessa interação, como partículas diferentes depositam energia na matéria e quanta quantidade de energia deposita, é fundamental para a compreensão do problema. Por exemplo, partículas carregadas com altas energias podem ionizar diretamente átomos. Partículas alfasão bastante maciças e carregam uma carga dupla positiva; portanto, tendem a percorrer apenas uma curta distância e não penetram muito no tecido, se é que o fazem. No entanto, as partículas alfa depositam sua energia em um volume menor (possivelmente apenas algumas células se entrarem no corpo) e causam mais danos a essas poucas células. Como resultado, as partículas alfa deixam vestígios curtos, mas significativos, na câmara.

As partículas beta (elétrons) são muito menores que as partículas alfa. Eles carregam uma única carga negativa. Eles são mais penetrantes que as partículas alfa. Eles podem viajar vários metros, mas depositam menos energia em qualquer ponto do caminho do que as partículas alfa. Portanto, as partículas beta deixam traços mais longos, mas menos visíveis, na câmara.

Se um campo magnético for aplicado através da câmara de nuvens, partículas carregadas positiva e negativamente se curvarão em direções opostas, de acordo com a lei de força de Lorentz.

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