¿Qué es la cámara de niebla? Definición

Las cámaras de niebla , también conocidas como cámaras de Wilson , son detectores de partículas, que fueron dispositivos esenciales en las primeras investigaciones de física nuclear y de partículas. Las cámaras de niebla, uno de los instrumentos más simples para estudiar partículas elementales , han sido sustituidas por detectores más modernos en investigaciones reales, pero siguen siendo un aparato pedagógico muy interesante.

Cámara de niebla – Principio de funcionamiento

El principio fundamental detrás de ellos es la sobresaturación de una sustancia de vapor , un estado en el que el aire, o cualquier otro gas, contiene más vapor de esa sustancia de lo que puede mantener en un equilibrio estable. Una partícula cargada de energía (por ejemplo, una partícula alfa o beta ) interactúa con la mezcla de vapor y crea una pista de iones , que en condiciones de sobresaturación actúan como núcleos de condensación alrededor de los cuales se forma un rastro de pequeñas gotas en forma de niebla si la mezcla de gases es en el punto de condensación.

Estas gotas son visibles como una pista de «nube» que persiste durante varios segundos mientras las gotas caen a través del vapor. La condensación del vapor en estos núcleos permite la identificación visual de las trayectorias de las partículas, lo que lleva a un estudio directo de sus propiedades. En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado se saturó con vapor de agua, luego se usó un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (expansión adiabática), enfriar el aire y comenzar a condensar el vapor de agua. Por lo tanto , se utiliza el nombre de cámara de niebla de expansión . La primera antipartícula, el positrón, el muón y la primera partícula extraña, el kaon, también se identificaron por primera vez utilizando la cámara de niebla.

Cámara de difusión de la niebla

Aunque las cámaras de difusión de niebla nunca se utilizaron ampliamente en la investigación de física nuclear y de partículas, siendo fáciles de construir, todavía son instrumentos educativos interesantes . Una cámara de niebla de difusión difiere de la cámara de niebla de expansión en que está continuamente sensibilizada a la radiación, y en que el fondo debe enfriarse a una temperatura bastante baja, generalmente más fría que −26 ° C (−15 ° F). En lugar de vapor de agua, se usa alcohol debido a su punto de congelación más bajo. Hoy en día, son una forma fácil de aprender y visualizar partículas elementales y radiación.

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 niebla, 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 niebla, 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»).

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») .

Cámara de niebla y descubrimiento de positrones

Los positrones tienen carga positiva (+ 1e), partículas casi sin masa. Su masa en reposo es igual a 9.109 × 10 ⁻³¹ kg ( 510.998 keV / c 2 ) (aproximadamente 1/1836 la del protón ).

Al igual que todas las partículas elementales, los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas: pueden colisionar con otras partículas y pueden difractarse como la luz. La idea original de las antipartículas surgió de una ecuación de onda relativista desarrollada en 1928 por el científico inglés PAM Dirac(1902-1984). Se dio cuenta de que su versión relativista de la ecuación de onda de Schrödinger para electrones predijo la posibilidad de antielectrones. Estos fueron descubiertos por Paul Dirac y Carl D. Anderson en 1932 y nombrados positrones. Estudiaron colisiones de rayos cósmicos a través de una cámara de niebla, un detector de partículas en el que los electrones (o positrones) en movimiento dejan rastros a medida que se mueven a través del gas. Los caminos de los positrones en una cámara de niebla trazan el mismo camino helicoidal que un electrón pero giran en la dirección opuesta con respecto a la dirección del campo magnético debido a que tienen la misma magnitud de relación carga-masa pero con carga opuesta y, por lo tanto, opuesta ratios de carga a masa firmadas. Aunque Dirac no utilizó el término antimateria , su uso sigue de forma bastante natural a partir de antielectrones,antiprotones , etc.

Cámara de burbujas

Las cámaras de burbujas son detectores de partículas, que se basan en principios similares a las cámaras de niebla. 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 pueden hacerse físicamente más grandes que las cámaras de niebla, y dado que 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 átomos directamente. 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 niebla, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, de acuerdo con la ley de fuerza de Lorentz.