Qu’est-ce que le chambre à brouillard – Définition

Les chambres à brouillard, également connues sous le nom de chambres de Wilson, sont des détecteurs de particules, qui étaient des dispositifs essentiels dans les premières recherches en physique nucléaire et des particules. Dosimétrie des rayonnements
Alpha Particle - Cloud Chamber
Particules alpha et électrons (déviés par un champ magnétique) d’une tige de thorium dans une chambre à brouillard.
Source: wikipedia.org

Les chambres à brouillard , également connues sous le nom de chambres de Wilson , sont des détecteurs de particules, qui étaient des dispositifs essentiels dans les premières recherches en physique nucléaire et des particules. Les chambres à brouillard, l’un des instruments les plus simples pour étudier les particules élémentaires , ont été remplacées par des détecteurs plus modernes dans la recherche actuelle, mais elles restent un appareil pédagogique très intéressant.

Chambre à brouillard – Principe de fonctionnement

Le principe fondamental qui les sous-tend est la sursaturation d’une substance vapeur , un état dans lequel l’air, ou tout autre gaz, contient plus de vapeur de cette substance qu’il ne peut en maintenir dans un équilibre stable. Une particule chargée d’énergie (par exemple, une particule alpha ou bêta ) interagit avec le mélange de vapeur et crée une trace d’ions qui, dans des conditions de sursaturation, agissent comme des noyaux de condensation autour desquels une traînée de brouillard de petites gouttelettes se forme si le mélange gazeux est au point de condensation.

Diagramme - chambre à brouillards
Une chambre à brouillard de type diffusion. L’alcool (généralement l’isopropanol) est évaporé par un réchauffeur dans un conduit dans la partie supérieure de la chambre. La vapeur de refroidissement descend jusqu’à la plaque réfrigérée noire, où elle se condense. En raison du gradient de température, une couche de vapeur sursaturée se forme au-dessus de la plaque inférieure. Dans cette région, les particules de rayonnement induisent de la condensation et créent des traces de nuages. Source: wikipedia.org Licence: CC BY-SA 4.0

Ces gouttelettes sont visibles comme une trace de « brouillard» qui persiste pendant plusieurs secondes tandis que les gouttelettes tombent à travers la vapeur. La condensation de la vapeur sur ces noyaux permet une identification visuelle des trajectoires des particules, conduisant à une étude simple de leurs propriétés. Dans la chambre d’origine de Wilson, l’air à l’intérieur de l’appareil scellé était saturé de vapeur d’eau, puis un diaphragme a été utilisé pour dilater l’air à l’intérieur de la chambre (expansion adiabatique), refroidir l’air et commencer à condenser la vapeur d’eau. Par conséquent, le nom de chambre à brouillard d’expansion est utilisé. La première antiparticule, le positron, le muon et la première particule étrange, le kaon, ont également été identifiées pour la première fois à l’aide d’une chambre à brouillard.

Chambre à brouillard de diffusion

Bien que les chambres à brouillard de diffusion n’aient jamais été largement utilisées dans la recherche en physique nucléaire et des particules, étant faciles à construire, elles restent des instruments pédagogiques intéressants . Une chambre à brouillard de diffusion diffère de la chambre à brouillard à expansion par le fait qu’elle est sensibilisée en continu aux rayonnements et que le fond doit être refroidi à une température plutôt basse, généralement plus froide que -26 ° C (-15 ° F). Au lieu de la vapeur d’eau, l’alcool est utilisé en raison de son point de congélation plus bas. De nos jours, ils sont un moyen facile d’apprendre et de visualiser les particules élémentaires et les rayonnements.

Ionisation et informations sur la piste

Il faut souligner que les gouttes qui forment dans ces appareils des traces se développent sur les ions créés par le passage des particules ionisantes. Ainsi, ce processus d’ionisation doit être analysé. Chaque type de particule interagit de manière différente , donc la connaissance de cette interaction, comment les différentes particules déposent de l’énergie dans la matière et combien d’énergie les particules déposent, est fondamentale pour notre compréhension du problème. Par exemple, des particules chargées de hautes énergies peuvent directement ioniser les atomes. Particules alphasont assez massifs et portent une double charge positive, ils ont donc tendance à parcourir seulement une courte distance et à ne pas pénétrer très loin dans les tissus, voire pas du tout. Cependant, les particules alpha déposeront leur énergie sur un plus petit volume (éventuellement seulement quelques cellules si elles pénètrent dans un corps) et causeront plus de dommages à ces quelques cellules. En conséquence, les particules alpha laissent une trace courte mais significative dans la chambre.

Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Ils sont plus pénétrants que les particules alpha. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha. Par conséquent, les particules bêta laissent une trace plus longue mais moins visible dans la chambre.

Si un champ magnétique est appliqué à travers la chambre à brouillard, les particules chargées positivement et négativement se courberont dans des directions opposées, selon la loi de force de Lorentz.

Selon les données expérimentales, l’ionisation spécifique dN / dx dans les chambres à brouillard, définie comme le nombre moyen d’ions produits par unité de longueur par une particule passante, est bien décrite dans une première approximation à la fois pour les électrons et pour les particules plus massives par l’ équation de Bethe .

Puissance d’arrêt – Formule Bethe

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . Le pouvoir d’arrêt linéaire du matériau est défini comme le rapport entre la perte d’énergie différentielle pour la particule à l’intérieur du matériau et la longueur de trajet différentiel correspondante :

, où T est l’énergie cinétique de la particule chargée, nion est le nombre de paires électron-ion formées par unité de longueur de trajet, et I représente l’énergie moyenne nécessaire pour ioniser un atome dans le milieu. Pour les particules chargées, S augmente à mesure que la vitesse des particules diminue . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. La formule non relativiste a été trouvée par Hans Bethe en 1930. La version relativiste (voir ci-dessous) a également été trouvée par Hans Bethe en 1932.

Dans cette expression, m est la masse au repos de l’électron, β est égal à v / c, ce qui exprime la vitesse de la particule par rapport à la vitesse de la lumière, γ est le facteur de Lorentz de la particule, Q est égal à sa charge, Z est le numéro atomique du milieu et n est la densité des atomes dans le volume. Pour les particules non relativistes (les particules chargées lourdes sont pour la plupart non relativistes), dT / dx dépend de 1 / v 2 . Cela s’explique par le temps plus long que passe la particule chargée dans le champ négatif de l’électron, lorsque la vitesse est faible.

La nature de l’interaction d’un rayonnement bêta avec la matière est différente du rayonnement alpha , malgré le fait que les particules bêta soient également des particules chargées. Par rapport aux particules alpha, les particules bêta ont une masse beaucoup plus faible et atteignent principalement des énergies relativistes . Leur masse est égale à la masse des électrons orbitaux avec lesquels ils interagissent et contrairement à la particule alpha, une fraction beaucoup plus importante de son énergie cinétique peut être perdue en une seule interaction. Étant donné que les particules bêta atteignent principalement les énergies relativistes, la formule non relativiste de Bethe  ne peut pas être utilisée. Pour les électrons de haute énergie, une expression similaire a également été dérivée par Bethedécrire la perte d’énergie spécifique due à l’ excitation et à l’ionisation (les «pertes par collision»).

Formule Bethe modifiée pour les particules bêta.
Formule Bethe modifiée pour les particules bêta.

De plus, les particules bêta peuvent interagir via une interaction électron-nucléaire (diffusion élastique des noyaux), ce qui peut modifier considérablement la direction des particules bêta . Par conséquent, leur chemin n’est pas si simple. Les particules bêta suivent un chemin très zigzag à travers le matériau absorbant, ce chemin de particules résultant est plus long que la pénétration linéaire (plage) dans le matériau.

Les particules bêta diffèrent également des autres particules chargées lourdes par la fraction d’énergie perdue par processus radiatif connue sous le nom de bremsstrahlung . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung («rayonnement de freinage») .

Chambre de à brouillard et découverte de Positron

Les positrons sont des particules chargées positivement (+ 1e), presque sans masse. Leur masse au repos est égale à 9,109 × 10 -31 kg ( 510,998 keV / c 2 ) (environ 1/1836 celle du proton ).

Positron - Découverte
Des antielectrons ont été découverts par Paul Dirac et Carl D. Anderson en 1932 et nommés positrons. Ils ont étudié les collisions de rayons cosmiques via une chambre à brouillard ​​- un détecteur de particules dans lequel des électrons (ou positrons) en mouvement laissent des traces lorsqu’ils se déplacent dans le gaz. Source: wikipedia.org Licence: domaine public

Comme toutes les particules élémentaires, les électrons présentent des propriétés à la fois de particules et d’ondes: ils peuvent entrer en collision avec d’autres particules et peuvent être diffractés comme la lumière. L’idée originale des antiparticules est venue d’une équation d’onde relativiste développée en 1928 par le scientifique anglais PAM Dirac(1902-1984). Il a réalisé que sa version relativiste de l’équation d’onde de Schrödinger pour les électrons prédisait la possibilité d’anti-électrons. Ceux-ci ont été découverts par Paul Dirac et Carl D. Anderson en 1932 et nommés positrons. Ils ont étudié les collisions de rayons cosmiques via une chambre à brouillard ​​- un détecteur de particules dans lequel des électrons (ou positrons) en mouvement laissent des traces lorsqu’ils se déplacent dans le gaz. Les trajets des positrons dans une chambre à brouillard tracent le même trajet hélicoïdal qu’un électron mais tournent dans la direction opposée par rapport à la direction du champ magnétique car ils ont la même amplitude de rapport charge / masse mais avec une charge opposée et, par conséquent, opposée signé des rapports charge / masse. Bien que Dirac n’ait pas lui-même utilisé le terme d’ antimatière , son utilisation fait suite assez naturellement aux antiélectrons,antiprotons , etc.

Chambre à bulles

Les chambres à bulles sont des détecteurs de particules, qui sont basés sur un principe similaire à celui des chambres à brouillard. Dans la chambre à bulles, les traces de particules subatomiques se révèlent sous forme de traînées de bulles dans un liquide chauffé juste en dessous de son point d’ébullition, généralement de l’hydrogène liquide. Les chambres à bulles peuvent être physiquement plus grandes que les chambres à brouillard, et comme elles sont remplies de matériau liquide beaucoup plus dense, elles révèlent les traces de particules beaucoup plus énergétiques. Une particule chargée d’énergie (par exemple, une particule alpha ou bêta) interagit avec le liquide et le liquide entre dans une phase métastable surchauffée. Autour de la piste d’ionisation, le liquide se vaporise, formant des bulles microscopiques. La densité de bulles autour d’une piste est proportionnelle à la perte d’énergie d’une particule.

Il faut souligner que les bulles qui, dans ces appareils, forment des traces se développent sur les ions créés par le passage des particules ionisantes. Ainsi, ce processus d’ionisation doit être analysé. Chaque type de particule interagit de manière différente , donc la connaissance de cette interaction, comment les différentes particules déposent de l’énergie dans la matière et combien d’énergie les particules déposent, est fondamentale pour notre compréhension du problème. Par exemple, des particules chargées de hautes énergies peuvent directement ioniser les atomes. Particules alphasont assez massifs et portent une double charge positive, ils ont donc tendance à parcourir seulement une courte distance et ne pénètrent pas très loin dans les tissus, voire pas du tout. Cependant, les particules alpha déposeront leur énergie sur un plus petit volume (éventuellement seulement quelques cellules si elles pénètrent dans un corps) et causeront plus de dommages à ces quelques cellules. En conséquence, les particules alpha laissent une trace courte mais significative dans la chambre.

Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Ils sont plus pénétrants que les particules alpha. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha. Par conséquent, les particules bêta laissent une trace plus longue mais moins visible dans la chambre.

Si un champ magnétique est appliqué à travers la chambre à brouillard, les particules chargées positivement et négativement se courberont dans des directions opposées, selon la loi de force de Lorentz.

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