Cámara de niebla

Las líneas de partículas radiactivas surgen debido a las condiciones específicas dentro de la cámara, principalmente debido a la capa de vapor de alcohol isopropílico

Cámara de niebla con trazas visibles procedentes de radiación ionizante (cortas y gruesas: partículas alfa; largas y finas: partículas beta). Véase también la versión animada de la imagen.

Esquema de una cámara de niebla      compuesto radiactivo      iluminación      mezcla saturada de agua y vapor      bomba      ventana de observación

La cámara de niebla, también conocida como cámara de Wilson, es un dispositivo utilizado para detectar partículas de radiación ionizante. En su forma más sencilla, una cámara de niebla es un entorno cerrado que contiene vapor de agua superenfriado y supersaturado. Cuando una partícula cargada de suficiente energía interacciona con el vapor, lo ioniza. Los iones resultantes actúan como núcleos de condensación, alrededor de los cuales se forman gotas de líquido que dan lugar a una niebla. Al paso de las partículas se va produciendo una estela o traza, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de su trayectoria. Estas trazas tienen formas distintivas (por ejemplo, la traza de una partícula alfa es ancha y recta, mientras que la de un electrón es más fina y muestra evidencias de ser deflectada).

Fotografía de cámara de niebla mostrando el primer positrón observado.

Cuando se aplica un campo magnético vertical, las partículas cargadas se curvan en sentidos opuestos dependiendo del signo de su carga. Esto se mostró en la fotografía donde se produjo el descubrimiento del positrón, en la cual se veía que el electrón se curvaba en el sentido opuesto. El positrón se estaba moviendo hacia arriba, y presumiblemente fue deflectado desde abajo porque la curvatura de la traza es mayor en la parte inferior de la figura (la fotografía estaba con la parte de arriba hacia abajo).

Invención

Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959), un físico escocés, inventó la cámara de niebla. Inspirado por las observaciones del espectro de Brocken mientras trabajaba en la reunión de Ben Nevis en 1894, comenzó a desarrollar cámaras de expansión para el estudio de la formación de nubes y los fenómenos ópticos en el aire húmedo. Muy rápidamente descubrió que los iones podrían actuar como centros para la formación de gotas de agua en tales cámaras. Buscó aplicaciones de este descubrimiento y perfeccionó la primera cámara de niebla en 1911. En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado estaba saturado con vapor de agua, entonces se usaba un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (expansión adiabática). Esto enfriaba el aire y el vapor de agua comenzaba a condensarse. Cuando una partícula ionizante pasaba a través de la cámara, el vapor de agua se condensaba en los iones resultantes y la traza de la partícula era visible en la nube de vapor. Wilson, junto con Arthur Compton, recibió el Premio Nobel de física en 1927 por su trabajo en la cámara de niebla.

Otras cámaras

La cámara de niebla de difusión se desarrolló más tarde en 1936 por Alexander Langsdorf. Esta cámara difiere de la cámara de niebla de expansión en que es sensible a la radiación de forma continua y que el fondo debe enfriarse a una temperatura baja, generalmente tan fría como el hielo seco. El vapor de alcohol se usa a menudo por sus diferentes temperaturas de transición de fase. Es posible construir una de estas cámaras con materiales caseros y emplearla para ver trazas de partículas cargadas, fundamentalmente rayos cósmicos secundarios.​

La cámara de burbujas tiene el mismo propósito, el de revelar las trazas de partículas cargadas, pero funciona de manera inversa a la de niebla, ya que en ella el material con el que interaccionan las partículas cargadas es un líquido en lugar de un gas y se forman burbujas de vapor al paso de las partículas cargadas en lugar de gotas de líquido. Al estar rellenas con un material más denso, se producirán más interacciones, lo que aumenta la probabilidad de detectar nuevas partículas. Además, las cámaras de burbujas se reactivan más rápidamente tras su uso que las de niebla. Estos factores hicieron que rápidamente la cámara de burbujas se convirtiera en el detector de partículas preferido, por lo que las cámaras de niebla desaparecieron en la investigación fundamental a comienzos de los años 1960.

Estructura y funcionamiento

Fig. 3: Una cámara de nubes de tipo difusión. El alcohol (normalmente isopropanol) se evapora mediante un calentador en un conducto situado en la parte superior de la cámara. El vapor enfriado desciende hasta la placa negra refrigerada, donde se condensa. Debido al gradiente de temperatura, se forma una capa de vapor sobresaturado por encima de la placa inferior. En esta región, las partículas de radiación inducen la condensación y crean pistas de nubes.

Fig. 4: Cómo se forman las estelas de condensación en una cámara de niebla de difusión.

Fig. 5: En una cámara de niebla de difusión, una pista de partículas alfa de 5,3 MeV procedente de una fuente de Pb-210 cerca del punto (1) sufre dispersión de Rutherford cerca del punto (2), desviándose en un ángulo theta de unos 30 grados. Vuelve a dispersarse cerca del punto (3) y finalmente se detiene en el gas. El núcleo objetivo en el gas de la cámara podría haber sido un núcleo de nitrógeno, oxígeno, carbono o hidrógeno. Recibió suficiente energía cinética en la colisión elástica como para causar un corto rastro visible de retroceso cerca del punto (2). (La escala está en centímetros).

Una cámara de niebla sencilla de tipo difusión consiste en un entorno sellado, una placa superior caliente y una placa inferior fría (véase la Fig. 3). Requiere una fuente de alcohol líquido en el lado caliente de la cámara donde el líquido se evapora, formando un vapor que se enfría al caer a través del gas y se condensa en la placa inferior fría. Se necesita algún tipo de radiación ionizante.

El vapor de isopropanol, metanol u otro alcohol satura la cámara. El alcohol desciende al enfriarse y el condensador frío proporciona un gradiente de temperatura pronunciado. El resultado es un ambiente sobresaturado. Cuando las partículas cargadas energéticas atraviesan el gas, dejan estelas de ionización. El vapor de alcohol se condensa alrededor de las estelas de iones gaseosos dejadas por las partículas ionizantes. Esto ocurre porque las moléculas de alcohol y agua son polares, lo que provoca una fuerza de atracción neta hacia una carga libre cercana (véase la Fig. 4). El resultado es una formación brumosa parecida a una niebla, que se aprecia por la presencia de gotas que caen hacia el condensador. Cuando las huellas se emiten desde una fuente radioactiva, su punto de origen puede determinarse fácilmente.​ La Fig. 5 muestra un ejemplo de una partícula alfa procedente de una fuente tipo pin de Pb-210 sometida a dispersión de Rutherford.

Justo encima de la placa condensadora fría hay un volumen de la cámara que es sensible a las huellas de ionización. El rastro de iones dejado por las partículas radiactivas proporciona un desencadenante óptimo para la condensación y la formación de niebla. Este volumen sensible se aumenta en altura empleando un gradiente de temperatura pronunciado y condiciones estables.​ A menudo se utiliza un campo eléctrico fuerte para atraer las huellas de las nieblas hacia la región sensible de la cámara y aumentar la sensibilidad de la misma. El campo eléctrico también puede servir para evitar que grandes cantidades de "lluvia" de fondo oscurezcan la región sensible de la cámara, causada por la condensación que se forma por encima del volumen sensible de la cámara, oscureciendo así las pistas por precipitación constante. Un fondo negro facilita la observación de las huellas en la niebla, y normalmente se necesita una fuente de luz tangencial para iluminar las gotas blancas contra el fondo negro. A menudo las huellas no son aparentes hasta que se forma un charco poco profundo de alcohol en la placa del condensador.

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 la fuerza de Lorentz; sin embargo, es difícil conseguir campos suficientemente fuertes con pequeñas instalaciones de aficionados.

Bibliografía

• Das Gupta, N. N.; Ghosh, S. K. (1946). «A Report on the Wilson Cloud Chamber and its Applications in Physics». Reviews of Modern Physics (en inglés) 18: 225-365. Bibcode:1946RvMP...18..225G. doi:10.1103/RevModPhys.18.225. 

Enlaces externos

• Cámara de niebla (animación) (en inglés)
• Aparato original de Wilson.

• Datos: Q214634
• Multimedia: Cloud chambers / Q214634