O que é a câmara de bolhas – Definição

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. 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 bolhas são detectores de partículas, baseadas em princípios semelhantes aos das 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 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.

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 nuvens, 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”) .

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