Kebuk awan

Kebuk awan, juga dikenali sebagai kebuk awan Wilson, sebuah pengesan zarah digunakan untuk menampakkan jejak sinaran pengion.

Gambar 1: Foto kebuk awan membuktikan kewujudan positron. Dicerap oleh C. Anderson.

Kebuk awan terdiri daripada ruang kedap yang mengandungi wap air atau alkohol yang aditepu. Zarah bercas bertenaga (contohnya, zarah alfa atau beta) berinteraksi dengan campuran gas itu dengan melanggar elektron keluar dari molekul gas menerusi daya elektrostatik, menghasilkan jejak zarah gas terion. Ion terhasil bertindak sebagai pusat pemeluwapan di mana jejak titisan kecil seperti kabus terbentuk jika campuran gas berada pada takat pemeluwapan. Titisan ini dilihat sebagai jejak "awan" yang bertahan selama beberapa saat sementara titisan jatuh menerusi wap. Jejak ini mempunyai bentuk cirian. Contohnya, jejak zarah alfa tebal dan lurus, sementara jejak elektron pudar dan menunjukkan lebih banyak bukti pesongan oleh perlanggaran.

Kebuk awan memainkan peranan penting dalam fizik zarah eksperimen dari 1920-an hingga 1950-an, sehinggalah munculnya kebuk gelembung. Khususnya, penemuan positron pada 1932 (lihat Gambar 1) dan muon pada 1936, kedua-dua oleh Carl Anderson (menerima Hadiah Nobel Fizik pada 1936), dengan menggunakan kebuk awan. Penemuan kaon oleh George Rochester dan Clifford Charles Butler pada 1947, juga dengan menggunakan kebuk awan sebagai pengesan. Dalam setiap kes, sinar kosmos menjadi sumber sinaran pengion.

Reka cipta

Kebuk awan asal oleh C.T.R. Wilson

Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959), seorang ahli fizik Scotland, diangkat sebagai pencipta kebuk awan. Wilson terilham daripada penampakan bayangan Brocken ketika bekerja di puncak Ben Nevis pada 1894. Dia mula mencipta kebuk pengembangan untuk mengkaji pembentukan awan dan fenomena optik pada udara lembap. Segera dia mendapati bahawa ion boleh menjadi pusat pembentukan titisan air di dalam kebuk tersebut. Dia berusaha mengkaji penerapan penemuan ini dan menyempurnakan kebuk awan pertama pada 1911. Pada kebuk asal Wilson, udara di dalam alat kedap itu ditepukan dengan wap air, kemudian diafragma digunakan untuk mengembangkan udara di dalam kebuk tersebut (pengembangan adiabatik), lalu menyejukkan udara dan mula memeluwapkan wap air. Maka nama kebuk awan kembang digunakan. Apabila zarah pengion melalui kebuk itu, wap air memeluwap pada ion terhasil dan jejak zarah dilihat pada awan wap. Wilson, bersama Arthur Compton, menerima Hadiah Nobel Fizik pada 1927 atas kajiannya tentang kebuk awan. Kebuk jenis ini juga dikenali sebagai kebuk berdenyut kerana syarat pengoperasian tidak berterusan terpelihara. Perkembangan lanjut dibuat oleh Patrick Blackett yang menggunakan pegas kaku untuk mengembangkan dan memampatkan kebuk tersebut dengan sangat cepat, membuatkan kebuk itu sensitif kepada zarah beberapa kali sesaat. Filem <i>cine</i> digunakan untuk merekod gambar.

Kebuk awan resap dicipta pada 1936 oleh Alexander Langsdorf. Kebuk ini berbeza daripada kebuk awan kembang kerana ia berterusan sensitif kepada sinaran, dan kerana bahagian bawahnya mesti disejukkan ke suhu yang agak rendah, lazimnya bawah −26 °C (−15 °F) . Daripada menggunakan wap air, alkohol digunakan kerana mempunyai takat beku lebih rendah. Kebuk awan yang disejukkan dengan ais kering atau pendinginan termoelektrik kesan Peltier adalah peranti yang biasa digunakan dalam demonstrasi dan oleh penggemar; alkohol yang biasa digunakan di dalamnya ialah alkohol isopropil atau spirit bermetil .

Struktur dan operasi

Gambar 2: Kebuk awan jenis resap. Alkohol (biasanya isopropanol) disejat oleh pemanas di dalam saluran pada bahagian atas kebuk. Wap pendingin turun ke plat sejuk hitam, di mana ia memeluwap. Disebabkan kecerunan suhu, lapisan wap aditepu terbentuk di atas plat bawah. Di sini, zarah sinaran mencetuskan pemeluwapan dan menghasilkan jejak awan.

Bagaimana jejak pemeluwapan terbentuk di dalam kebuk awan resap.

Gambar 3: Di dalam kebuk awan resap, jejak zarah alfa 5.3 MeV dari sumber pin Pb-210 berhampiran Titik (1) menjalani serakan Rutherford berhampiran Titik (2), terpesong sebanyak sudut theta sekitar 30 darjah. Ia berhamburan sekali lagi berhampiran Titik (3), dan akhirnya terhenti di dalam gas. Nukleus sasaran dalam gas kebuk mungkin nukleus nitrogen, oksigen, karbon, atau hidrogen. Ia menerima tenaga kinetik yang cukup dalam perlanggaran kenyal sehingga menghasilkan jejak sentakan pendek nyata berhampiran Titik (2). (Skala sentimeter.)

Kebuk awan jenis resap akan dibincangkan di sini. Kebuk awan mudah terdiri daripada ruang kedap, plat atas hangat dan plat bawah sejuk (Lihat Gambar 2). Ia memerlukan sumber alkohol cecair di bahagian hangat kebuk di mana cecair itu tersejat, lalu membentuk wap yang mendingin ketika jatuh menerusi gas dan memeluwap di plat bawah sejuk. Sesuatu sinaran pengion diperlukan.

Wap metanol, isopropanol, atau alkohol lain menepukan kebuk. Alkohol jatuh sambil mendingin dan pemeluwap sejuk mewujudkan kecerunan suhu yang curam. Hasilnya sebuah persekitaran aditepu. Apabila zarah bercas bertenaga merentasi gas, ia meninggalkan jejak pengionan. Wap alkohol memeluwap di sekitar jejak ion gas yang ditinggalkan oleh zarah pengion. Perkara ini berlaku kerana alkohol dan air adalah molekul berkutub, yang menghasilkan daya tarikan ke arah cas bebas berdekatan. Ini menghasilkan pembentukan seperti awan berkabus, dilihat dengan keberadaan titisan yang jatuh ke pemeluwap. Apabila jejak dihasilkan keluar membulat dari punca, titik asalnya mudah ditentukan. (Lihat Rajah 3, misalnya.)

Tepat di atas plat pemeluwap sejuk ada isipadu kebuk yang sensitif terhadap jejak pengionan. Jejak ion yang ditinggal zarah radioaktif menyediakan pencetus optimum untuk pembentukan awan dan pemeluwapan. Isipadu sensitif ini meninggi dengan menggunakan kecerunan suhu yang curam, dan keadaan stabil. Medan elektrik kuat sering digunakan untuk menarik jejak awan ke ruang sensitif kebuk dan menjadikan kebuk lebih sensitif. Medan elektrik juga berfungsi untuk mencegah sejumlah besar "hujan" latar daripada mengaburkan ruang sensitif kebuk, yang dihasilkan oleh pemeluwapan yang terbentuk di atas isipadu sensitif kebuk, sehingga mengaburkan jejak dengan pemendakan berterusan. Latar belakang hitam memudahkan pencerapan jejak awan. Biasanya, sumber cahaya tangen diperlukan, yang menerangi titisan putih atas latar belakang hitam. Selalunya jejak tidak jelas kelihatan sehingga lopak cetek alkohol terbentuk di plat pemeluwap.

Sekiranya medan magnet dikenakan pada kebuk awan, zarah bercas positif dan negatif akan melengkung ke arah bertentangan, mematuhi hukum daya Lorentz; bagaimanpun, medan yang cukup kuat sukar dicapai dengan penyediaan kecil penggemar.

Pengesan zarah lain

Kebuk gelembung dicipta oleh Donald A. Glaser dari Amerika Syarikat pada 1952, dan untuk ini, dia dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik pada 1960. Kebuk gelembung menunjukkan jejak zarah subatom sebagai jejak gelembung dalam cecair adipanas, biasanya hidrogen cecair. Kebuk gelembung boleh dibina lebih besar daripada kebuk awan, dan kerana mereka diisi dengan bahan cecair yang lebih padat, mereka menghasilkan jejak bagi zarah yang jauh lebih bertenaga. Oleh sebab ini, kebuk gelembung menjadi pengesan zarah utama selama beberapa dekad, dan terus menggantikan kebuk awan dalam penyelidikan asas sejak awal tahun 1960-an.

Kebuk percikan sebuah alat elektrik yang menggunakan grid wayar elektrik tidak bertebat dalam kebuk, dengan voltan tinggi dikenakan di antara wayar. Zarah bercas bertenaga menghasilkan pengionan gas di sepanjang lintasan zarah sama seperti dalam kebuk awan Wilson, tetapi medan elektrik ambiennya cukup tinggi untuk mendakan peruntuhan gas secara besar-besaran dalam bentuk percikan api di kedudukan pengionan awal. Keberadaan dan kedudukan percikan api ini kemudian didaftarkan secara elektrik, dan maklumat disimpan untuk analisis, dengan menggunakan komputer digital.

Kesan pemeluwapan serupa dapat dilihat sebagai awan Wilson, juga disebut awan pemeluwapan, pada letupan besar dalam udara lembap dan kesan lain ketunggalan Prandtl-Glauert.

Lihat juga

• Emulsi nukleus - juga digunakan untuk merakam dan mengkaji zarah bercas pantas
• Kebuk gelembung
• Kebuk percikan
• Kit sains kanak-kanak Makmal Tenaga Atom Gilbert U-238 (1950–1951)
• Jejak wap
• Das Gupta, N. N.; Ghosh S. K. (1946). "A Report on the Wilson Cloud Chamber and its Applications in Physics". Reviews of Modern Physics. 18 (2): 225–365. Bibcode:1946RvMP...18..225G. doi:10.1103/RevModPhys.18.225.