Camera cu nori

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 august 2021; verificările necesită 17 modificări .

Camera Wilson ( camera de condensare, camera de ceață ) este un detector de piste de particule încărcate rapid, care folosește capacitatea ionilor de a acționa ca nuclee de picături de apă în vapori suprasaturați suprarăciți .

Pentru a crea abur suprarăcit, se utilizează expansiune adiabatică rapidă , însoțită de o scădere bruscă a temperaturii.

O particulă încărcată rapid, care se deplasează printr-un nor de vapori suprasaturați, o ionizează. Procesul de condensare a vaporilor are loc mai rapid în locurile în care se formează ioni. Ca rezultat, acolo unde o particulă încărcată a zburat, se formează o urmă de picături de apă, care poate fi fotografiată. Din cauza acestui tip de piste, camera și-a primit numele în engleză - camera de nor . 

Camerele cu nori sunt de obicei plasate într-un câmp magnetic în care traiectoriile particulelor încărcate sunt curbate. Determinarea razei de curbură a traiectoriei permite să se determine sarcina electrică specifică a particulei și, în consecință, să o identifice.

Aparatul foto a fost inventat în 1912 de către fizicianul scoțian Charles Wilson . Pentru inventarea camerei, Wilson a primit în 1927 Premiul Nobel pentru Fizică . În 1948 , Patrick Blackett a primit Premiul Nobel pentru îmbunătățirea camerei cu nori și cercetările efectuate cu aceasta .

Istorie

Încă din ultimul sfert al secolului al XIX-lea, lucrările lui Coulier, Kissling și Aitken au arătat că praful joacă un rol important în formarea ceții . Încercând să recreeze acest fenomen natural în laborator, cercetătorii au descoperit că ceața nu se formează în aerul purificat [1] . S-a constatat, de asemenea, că picăturile se formează exact în jurul particulelor de praf și au dimensiuni de ordinul dimensiunilor lor. Aceasta a fost soluția problemei observate de Lordul Kelvin , conform căreia, pe măsură ce o picătură de apă crește, aceasta trebuie să treacă printr-o etapă în care are dimensiuni comparabile cu dimensiunea moleculelor, dar o picătură de asemenea dimensiuni se evaporă atât de repede. ca dispare.

În 1897, Wilson a arătat că, chiar și în aerul fără praf, ceața se formează la o expansiune mai mare de 1,37 ori. În acest caz, atunci când se extinde de la 1,25 la 1,37 ori, se formează doar picături individuale. În 1899, el a mai descoperit că, dacă o anumită cantitate de uraniu este plasată într-un tub cu raze X , atunci ceața începe să se formeze chiar și la o expansiune de 1,25 [1] . Joseph Thomson a arătat că ionii devin centre de condensare în aceste cazuri .

Wilson a mai descoperit că apa are mai multe șanse să se condenseze pe ionii încărcați negativ. Thomas Lebe a examinat vaporii altor substanțe și a constatat că toate substanțele pe care le-a testat (acid acetic, cloroform, alcool etilic, clorobenzen și altele) au tendința opusă - ionii pozitivi provoacă condensarea mai repede decât cei negativi [1] .

Primul detector de particule încărcate, creat de Wilson în 1912, arăta ca un cilindru de sticlă cu un diametru de 16,5 cm și o înălțime de 3,5 cm. În interiorul camerei se afla un recipient în care se afla un inel de lemn scufundat în apă. Datorită evaporării de pe suprafața inelului, camera a fost saturată cu abur. Camera era conectată printr-un tub cu supapă de un balon din care era evacuat aerul. Când robinetul a fost rotit, presiunea a scăzut, aerul s-a răcit și aburul s-a saturat , datorită faptului că particulele încărcate au lăsat în spate benzi de ceață [2] . În același timp, camera și luminile au fost aprinse.

Principalul dezavantaj al camerei a fost timpul lung de pregătire pentru lucru. Pentru a depăși acest neajuns, Takeo Shimizu [3] a creat în 1921 o versiune alternativă a camerei, care era echipată cu un piston. S-a mișcat continuu, comprimând și extinzând aerul, astfel încât să poată fi făcută o fotografie la fiecare câteva secunde. Cu toate acestea, modelul Shimizu nu a putut oferi întotdeauna o calitate bună a imaginii, deoarece aerul din el s-a extins prea încet [1] .

În 1927, Pyotr Kapitsa și Dmitry Skobeltsin au propus plasarea camerei într-un câmp magnetic puternic . Acest lucru a facilitat separarea urmelor particulelor încărcate pozitiv și negativ din imagini, precum și determinarea raportului lor masă-încărcare [4] .

În 1927, într-un efort de a combina cele mai bune aspecte ale fiecărui model, Patrick Blackett a modificat camera Shimizu adăugându-i un arc, care a oferit o expansiune bruscă. În 1929, modelul său îmbunătățit de cameră a făcut mai mult de 1.200 de fotografii pe zi, fiecare arătând zeci de urme de particule alfa. Blackett a fost cel care a fotografiat pentru prima dată diviziunea nucleelor ​​de azot de către particulele alfa.

În 1930, L. V. Mysovsky și R. A. Eichelberger au efectuat experimente cu rubidiu , iar emisia de particule β a fost înregistrată într-o cameră cu nori . Mai târziu, a fost descoperită radioactivitatea naturală a izotopului 87Rb [ 5 ] . În 1932,  KD Anderson a descoperit un pozitron în razele cosmice.

În 1933, Wilson a propus un design diferit al camerei care folosea o diafragmă de cauciuc în loc de un piston [1] .

În același an, Blackett și Giuseppe Occhialini au dezvoltat o versiune a camerei care s-a extins doar atunci când au fost trase două contoare, una deasupra ei și una dedesubt. Această modificare a făcut posibilă creșterea semnificativă a eficienței camerei în cazul în care trebuie să surprindă evenimente rare precum razele cosmice . Blackett și Occhialini indică faptul că 80% din fotografiile obținute în acest fel conțineau urme de raze cosmice [1] .

În 1934, L. V. Mysovsky împreună cu M. S. Eigenson au condus experimente în care, folosind o cameră cu nori, s-a dovedit pretinsa prezență a neutronilor în compoziția razelor cosmice [5] . (Notă: durata de viață a neutronilor liberi (aproximativ 17 minute) nu le permite să facă parte din razele cosmice; ei pot fi formați numai în reacții nucleare care implică raze cosmice.)

În 1952, camera cu bule a fost inventată de Donald Glaser , după care camera cu nori a scăzut în importanță. Camera cu bule a făcut posibilă înregistrarea evenimentelor mai precis și mai des și, prin urmare, a devenit instrumentul principal pentru noi cercetări.

Clădire

De obicei, o cameră cu nori constă dintr-un cilindru care conține aer saturat cu abur și un piston care se poate mișca în acest cilindru. Când pistonul este coborât, aerul se răcește brusc, iar camera devine potrivită pentru lucru. Într-o altă versiune, mai modernă, a fost folosită o diafragmă de cauciuc în locul unui piston [1] . În acest caz, camera are un fund perforat, sub care se află o diafragmă, în care aerul este pompat sub presiune. Apoi, pentru a începe lucrul, trebuie doar să eliberați aerul din diafragmă în atmosferă sau într-un recipient special. Astfel de camere sunt mai ieftine, mai ușor de utilizat și se încălzesc mai puțin în timpul funcționării.

Pentru particulele cu energie scăzută, presiunea aerului din cameră este redusă sub presiunea atmosferică, în timp ce pentru fixarea particulelor cu energie mare, dimpotrivă, aerul este pompat în cameră la o presiune de zeci de atmosfere. Camera este umplută cu abur de apă și alcool etilic, iar nucleele de condensare sunt îndepărtate pentru a evita condensarea prematură, rezultând vapori suprasaturați , gata să formeze urme pe ea. Un astfel de amestec este utilizat datorită faptului că vaporii de apă se condensează mai bine pe ionii negativi, iar vaporii de etanol pe ionii pozitivi [2] .

Timpul de funcționare activă a camerei durează de la sutimi de secundă la câteva secunde, trecând de la expansiunea aerului și până când camera se umple cu ceață, după care camera este curățată și poate fi repornită. Un ciclu complet de utilizare este de obicei de aproximativ un minut [2] . Sursa de radiație poate fi plasată în interiorul camerei sau în afara acesteia. În acest caz, particulele intră în cameră printr-un ecran transparent.

Utilizare

Importanța camerei cu nori pentru fizica particulelor elementare poate fi cu greu supraestimată - timp de decenii a fost singura modalitate eficientă de a observa direct urmele particulelor elementare. Cu ajutorul acestuia, s-au descoperit pozitronul și muonul și au fost studiate și reacțiile nucleare ale particulelor alfa cu atomii de azot [6] . După inventarea camerei cu bule și scântei , importanța camerei cu nor a început să scadă, cu toate acestea, datorită costului său semnificativ mai mic în comparație cu detectoarele mai avansate, este încă folosită în unele industrii.

Ionizare specifică

Ionizarea specifică este numărul de perechi de ioni create de o particulă atunci când zboară printr-o substanță pe unitate de distanță. În acest caz, electronii scoși din atomi pot avea suficientă energie pentru a ioniza alți atomi. Acest fenomen se numește ionizare secundară. Într-o cameră cu nori, astfel de electroni vor arăta ca o ramură din traiectoria principală a particulei sau, pur și simplu, ca aglomerații de abur (dacă energia electronilor nu este foarte mare). În timp ce ionizarea specifică poate fi calculată în multe moduri (de exemplu, folosind un contor Geiger), camera cu nori este cea mai simplă metodă de separare a ionizării primare și secundare [1] .

Kilometraj

Lungimea traseului unei particule într-o substanță este un indicator important și trebuie cunoscută pentru protecția împotriva radiațiilor. Camera de nor vă permite să măsurați atât cursa medie, cât și distribuția curselor [1] . Cu ajutorul acestor date, este posibil să se determine cu exactitate atât energia particulei, cât și grosimea stratului protector care blochează acest tip de radiație.

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CAMERA WILSON ȘI APLICAȚIILE EI ÎN FIZICĂ Arhivat 11 august 2017 la Wayback Machine  (rusă)
  2. ↑ 1 2 3 Cloud camera Arhivat 27 ianuarie 2021 la Wayback Machine  (rusă)
  3. ↑ Camera de nori și metamorfozele sale Arhivate la 1 mai 2021 la Wayback Machine 
  4. ↑ Cloud camera Arhivat 2 iulie 2013 la Wayback Machine  (rusă)
  5. ↑ 1 2 Meshcheryakov M. G. , Perfilov N. A. În memoria lui Lev Vladimirovich Mysovsky (Cu ocazia celei de-a șaptezeci de ani de naștere)  // Numărul UFN: Colecția UFN. - M. , 1963. - Numărul. noiembrie .
  6. ↑ Fundamentele fizicii nucleare. Tehnologia nucleară Arhivată la 1 mai 2021 la Wayback Machine  (rusă)

Literatură

Link- uri externe

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice