¿Qué es una cámara de niebla?
La cámara de niebla, también conocida como una cámara de niebla Wilson, es un dispositivo único que muestra líneas visibles de partículas radiactivas. Es una única herramienta para la enseñanza, demostración y divulgación de partículas y física nuclear.
¿Como funciona la cámara de niebla?
La teoría de la cámara de niebla se superpone sobre la teoría de las transiciones de fase. La invención de la cámara de niebla se atribuye al físico escocés Charles Wilson, que estudió la formación de nubes en cámaras de niebla de expansión (es decir, cámaras de niebla que alcanzan las condiciones de condensación requeridas por la expansión de gas). La precipitación de gotitas líquidas del vapor requiere dos factores básicos. Presión de vapor saturada a una presión y temperatura determinadas, y núcleos de condensación. Wilson observó que, aparte del polvo u otras partículas sólidas, los iones pueden también servir como núcleos de condensación. Por lo tanto, se estableció la base teórica de las cámaras de niebla.
Explicación de la cámara de niebla
Las cámaras de niebla son dispositivos que se utilizan para visualizar partículas de radiación ionizante.
Esta radiación se origina en la descomposición de materiales radiactivos. Sin embargo, las partículas de radiación ionizante son muy pequeñas y se mueven a altas velocidades, lo que las hace imposibles de ver a simple vista.
Las líneas de niebla mostradas se forman debido a condiciones específicas dentro de una cámara de niebla. La base es crear una capa de vapores de alcohol isopropílico saturada. Se crea una capa de vapor sobresaturado sobre el área de observación negra como resultado de un gradiente de temperatura. Mientras se enfría el área de observación, en la parte superior del espacio interior de una cámara de niebla, en el conducto, se calienta el alcohol isopropílico. El alcohol isopropílico, que se evapora del conducto, desciende hacia el área de observación fría. Sobre su superficie crea una capa de vapor sobresaturada de aproximadamente 1 cm de espesor.
Si una partícula cargada eléctricamente sobrevuela una capa de vapor supersaturada de alcohol isopropílico, vemos su trayectoria en la forma de una línea blanca brillante. La partícula cargada provoca la ionización de moléculas de alcohol isopropílico, que actúan como núcleos de condensación. La línea blanca observada es una niebla densa de gotitas muy pequeñas de alcohol isopropílico formadas por condensación rápida.
Una línea blanca, formada después del paso de una partícula cargada, contrasta con el área de observación negra y es claramente visible incluso a simple vista. No hay dos línea en la niebla idénticas y son lo suficientemente diferentes como para permitirnos identificar qué partícula lo causó y determinar sus propiedades, a veces incluso su origen.
La formación de las líneas blancas es análoga a las estelas de condensación creadas por los aviones en el cielo. Cuando los aviones vuelan a grandes altitudes, el agua producida por la quema de combustible se condensa debido a la baja temperatura. Y con el mismo principio se forman las líneas blancas en una cámara de niebla.
La primera cámara de niebla fue inventada y construida por un físico escocés Charles Thomson Rees Wilson y el dispositivo se encendió por primera vez en 1911 después de casi veinte años de desarrollo.
En 1927, Charles Thomson Rees Wilson fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su método para hacer visibles las rutas de las partículas cargadas eléctricamente por condensación de vapor.
Observation des phénomènes et des particules
Radioactividad
La radiactividad, también conocida como descomposición radiactiva, es un fenómeno de transformación de la estructura interna de los núcleos atómicos, a menudo va acompañado de una liberación de radiación ionizante (alfa, beta o gamma). La radiactividad es un fenómeno natural, que no es causado solo por la actividad humana. ¡Hay muchos materiales radiactivos naturales como mineral de uranio o incluso plátanos ordinarios!
Podemos aproximar la radioactividad mediante una simple comparación. Imagínese un hombre obeso. La obesidad no es natural para las personas en general, por lo que le gustaría perder algo de peso. La forma más fácil de cómo lograrlo es tirar las reservas de grasa inútiles. La misma motivación tienen los núcleos atómicos, que están en un estado que no es natural para ellos, por ejemplo, pueden tener una gran cantidad de neutrones; en otras palabras, son demasiado grandes. Tales núcleos tienden a cambiar su estructura por, e.g., haciéndose más pequeñas por la emisión de partículas alfa (dos protones y dos neuronas), o cambian un neutrón a un protón, mientras emiten un electrón (conversión radiactiva de beta menos).
Aunque el término radioactividad se asocia mas frecuentamente con las plantas nucleares, solo forman una pequeña fracción de todo el fondo radiactivo. El término fondo radiactivo se usa para todas las radiaciones a las que estamos expuestos cuando vivimos en la Tierra. La radiación causada por las plantas nucleares es minúscula, incluso si incluimos las catástrofes nucleares como en 1986 en Chernobyl o en 2011 en Fukushima Daiichi.
Ciencia invisible
Muchos de los conceptos de la ciencia son muy difícil de entender. Algunos son matemáticamente difícil, los demás por su complejidad. Y algunos sólo por su tamaño. Moléculas, átomos, partículas subatómicas: todas ellas forman un marco extremadamente útil de conceptos en la ciencia. ¿Por qué todo el mundo cree en algo que nunca podemos ver? Existe una fuerte evidencia experimental que respalda su existencia. Aunque las partículas del microcosmos son invisibles y difíciles de imaginar, confirme la existencia de innumerables pruebas. La electricidad, el radio, los electrónicos, los medicamentos y otros productos químicos, las plantas nucleares y mucho más solo son posibles porque las teorías son válidas. Un problema crucial en la ciencia microscópica siempre ha sido la visualización. La forma más ilustrativa de visualizar partículas es mostrarlas en las cámaras de niebla. Incluso las partículas elementales más pequeñas desencadenan la precipitación de gotas líquidas que dan como resultado líneas de niebla fácilmente visibles. Hoy en día, las cámaras de niebla han sido reemplazadas en la ciencia por instrumentos electrónicos, pero en términos de experiencia práctica, son inmejorables.
FENÓMENOS OBSERVABLES
BÁSICO
Partícula alfa
La partícula alfa es una designación para el grupo de dos protones y dos neutrones, por lo que es un núcleo de helio. Las partículas alfa crean líneas más cortas pero más fuertes en una cámara de niebla. Los rayos de partículas alfa se llaman radiación alfa. Es el tipo de radiación menos penetrante; se puede detener con una hoja de papel o incluso con unos pocos metros de aire. Las fuentes naturales de radiación alfa son, por ejemplo, el uranio, el radio o el radón. El isótopo del radón-222 es conocido por su potencial de acumularse en los edificios, ya que a menudo se libera naturalmente de la corteza terrestre. Un ejemplo de una fuente artificial de radiación alfa es el americium-241 núclido del elemento americio, que no existe de forma natural.
Electrones
Varias líneas de niebla finas, retorcidas o rectas están formadas por electrones. Cuánto cambia la ruta del electrón depende de su energía. Mientras los electrones con alta energía hace su camino recto, los electrones con menor energía cambia su dirección resultando de colisiones con moléculas de isopropanol. Los electrones que se muestran en una cámara de niebla tienen su origen en las transformaciones radiactivas que ocurrieron en la Tierra y en la radiación cósmica secundaria. Un rayo de electrones se llama radiación beta negativa. La radiación beta es más intensa que la radiación alfa; se puede bloquear eficazmente con una losa de plomo de aproximadamente 1 mm de grosor.
Positrones
Positron es la primera partícula descubierta de antimateria; es la antipartícula de un electrón. Su línea es idéntica a la del electrón. Las líneas de estas partículas se pueden distinguir solo cuando la cámara de niebla se coloca en un campo magnético, cuando las líneas de electrones y positrones comienzan a girar en lados opuestos. De hecho, así es como el positrón fue observado por Carl Anderson en 1932, quien recibió el Premio Nobel de Física por este descubrimiento. Los positrones observados se originan de la radiación cósmica o de la descomposición radiactiva natural en la Tierra. Los rayos de positrones emitidos se llaman radiación beta plus. Un ejemplo de una fuente natural de radiación beta plus es el potasio-40, que está contenido en cantidades significativas en los plátanos. El consumo de un plátano representa una dosis equivalente a aproximadamente al 1% de una dosis diaria promedio de radiación natural. También podemos encontrar positrones en medicina, específicamente en la tomografía por emisión de positrones (PET). Este es un método de formación de imágenes que muestra diversos tejidos. Este método se basa en la introducción de radiofármacos en el cuerpo de un paciente. Estos radiofármacos son fuentes de radiación beta más, i.e., emisores de positrones. Los positrones que escapan se aniquilan con electrones en los átomos del cuerpo. En consecuencia, el detector registra estos fotones y calcula la posición de aniquilación. También es posible identificar la aniquilación de positrones y electrones en una cámara de niebela por la apariencia característica de sus líneas.
Protones
Los líneas gruesas que a menudo se extienden por toda el área de una cámara de niebla pertenecen a los protones, las partículas que forman núcleos atómicos. Estos protones tienen su origen en la radiación cósmica. Las líneas de los protones pueden dejar una línea a través del área de visualización, sino también una línea más corta, o incluso un punto en función del ángulo en el que protón penetra la cámara de niebla. Los protones se pueden encontrar en la medicina, específicamente en el campo de la radioterapia. En la terapia de protones, los protones acelerados se usan para irradiar tejido enfermo, específicamente tumores y carcinomas. La terapia de protones es un ejemplo de una aplicación de la vida real de, originalmente, un dispositivo de investigación: los protones se aceleran usando un acelerador de partículas llamado ciclotrón.
RARO
Muones
Los muones se crean mediante la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera y penetran hasta la superficie de la Tierra, donde podemos observarlos, por ejemplo, en una cámara de niebla. Los muones se pueden observar en una cámara de niebla a pesar de su muy corta vida, debido a la dilatación del tiempo, uno de los efectos de la relatividad especial. Los muones se mueven hacia el suelo a una velocidad cercana a la de la luz y, por lo tanto, pueden llegar antes de que se descompongan.
Por lo tanto, si ves una línea en la cámara similar a la del electrón, pero completamente recta debido a la gran velocidad, ¡puede ser un muón!
Lluvia de rayos cósmicos
La radiación cósmica son rayos de partículas que llegan a gran velocidad desde el espacio y golpean la atmósfera de la Tierra, donde se produce una creación de radiación cósmica secundaria durante la interacción con átomos en la atmósfera. Podemos distinguir claramente la radiación cósmica en una cámara de niebla, porque las lluvias de aire toman la forma de varias líneas de niebla orientadas en la misma dirección y llegando al mismo tiempo. Los rayos cósmicos provienen del Sol, por ejemplo, sino también desde el espacio interestelar e intergaláctico.
Electrones de rayos delta
Durante un vuelo de una partícula relativamente pesada con alta energía, es posible observar líneas de radiación de delta. Estas líneas son electrones que son arrancados de moléculas de alcohol isopropílico por partículas pesadas como protones. En la cámara de niebla, podemos ver una línea recta de un protón rodeado por líneas delgadas de electrones. Sólo esos electrones que escapan se conocen como radiación delta, delta rays en inglés.
Observación indirecta de la radiación gamma – dispersión Compton
La radiación gamma radioactiva no se puede observar directamente en la niebla, ya que en realidad es radiación en lugar de una corriente de partículas cargadas, como la radiación alfa y beta. Este hecho, sin embargo, ser eludido parcialmente. Al conectar una fuente de radiación gamma al vidrio de la cámara de niebla, los electrones se extraen de las moléculas formadas por el vidrio. Estos electrones luego se observan en la cámara de niebla.
Línea doble V en forma de partículas alfa después de descomposición de radón
Las líneas en forma de V incluyen dos partículas alfa que se irradiaron muy brevemente. Cuando el radón 220 está presente en la cámara de niebla, podemos ver su descomposición en polonio-216 seguida de una descomposición casi inmediata en plomo-212. Estas dos desintegraciones están acompañados por la radiación de un total de dos partículas alfa que observamos en la cámara de niebla. El Radon 220-Rn se puede inyectar en el área de observación de la cámara de niebla gracias al botón interactivo del módulo.
Demostración de vida media del radón
La vida media es el tiempo en que la mitad del número actual de núcleos atómicos en la muestra se descompone. En la cámara de niebla, podemos abordar este concepto con la ayuda del radón 220-Rn y líneas características en la forma de V. Después de inyectar el radón 220-Rn en el área de observación de la cámara de niebla, observamos el número máximo de líneas en la forma de V. El radón 220-Rn tiene una vida media de un minuto, por lo que veremos la mitad de las líneas V durante este tiempo. Si esperamos otro minuto más, otra semivida, veremos la mitad de la mitad de las líneas en forma V en la cámara de niebla del número máximo que observamos después de la inyección de radón 220-Rn. El Radon 220-Rn se puede inyectar en el área de observación de la cámara de niebla gracias al botón interactivo del módulo.
Visualización de la serie de descomposición de torio
La línea de descomposición de torio es una de las cuatro serie de descomposición básica. Esta es una secuencia de elementos donde se define con precisión, sobre qué otro elemento se está desintegrando el elemento inestable anterior y qué partículas emite (como partículas alfa o electrón). En la cámara de niebla, podemos observar una parte de la serie de descomposición de torio donde, después de inyectar el radón 220-Rn en el área de observación, se observan líneas de dos partículas alfa después de que el radón 220-R se descompone en polonio 216-Po y su descomposición en 212-Pb. El Radon 220-Rn se puede inyectar en el área de observación de la cámara de niebla gracias al botón interactivo del módulo.
Las partículas alfa emitidas desde la fuente de radiación alfa
Además de observar el fondo radiactivo natural, también se pueden observar líneas de partículas radiactivas colocando una fuente artificial en el área de observación de la cámara de niebla. La fuente de rayos alfa, partículas alfa, es, por ejemplo, americio 241-Am. Tras la inserción en el área de observación, se pueden observar líneas de partículas alfa radiadas. Las partículas alfa de origen artificial de americio 241-Am pueden insertarse en el área de observación de la cámara de niebla utilizando el botón interactivo del módulo
Los electrones emitidos desde una fuente de radiación beta
Además de observar el fondo radiactivo natural, también se pueden observar líneas de partículas radiactivas colocando una fuente artificial en el área de observación de la cámara de niebla. La fuente de partículas de electrones beta, por ejemplo, es el estroncio 90-Sr. Después de su inserción en el área de observación, se puede observar el ventilador omnidireccional del haz de electrones. El electrón artificial de estroncio 90-Sr se puede insertar en el área de observación de la cámara de niebla utilizando el botón interactivo del módulo.
MUY RARO
Pion
Los piones son partículas compuestas de un par de partículas de quark elementales «u» y «d», cada una conteniendo un quark y un antiquark. En una cámara de niebla solo podemos observar líneas de los piones cargados. Las líneas de los piones son muy similares a las líneas de los electrones y es difícil distinguir sus líneas; esto se puede hacer desde el curso de las líneas en la cámara de niebla. Los piones también son parte de los rayos cósmicos secundarios que surgen en la atmósfera mediante interacciones de partículas de rayos cósmicos primarios con partículas de la atmósfera.
Kaón
Los kaones son partículas que consisten en un quark «s» e un quark «u» o «d», siempre en pares quark y antikvark. En la cámara de niebla, esta partícula solo puede identificarse a partir del trazado de las líneas en la cámara de niebla tras el colapso de un kaón, y los kaones se descomponen en piones. Los kaones fueron descubiertos en las imágenes de la cámara de niebla en 1947 en el estudio de la radiación cósmica secundaria, de la que también forman parte.
dispersión de protones elástica
La dispersión de protones elásticos es uno de los fenómenos más raros que se pueden observar en la cámara de niebla. Es una forma de interacción que conduce a la colisión elástica de dos protones.
Descomposición de muónes a través de interacciones débiles
En la cámara niebla, la descomposición de muónes se puede observar por una interacción débil en un electrón. Esta descomposición es claramente evidente a partir del curso de la línea de niebla. La línea de niebla más espeso del muón se rompe y se estrecha de repente: el muón se deshace y observamos la línea más fina del electrón. Otras partículas: neutrino de muón y antineutrino de electrones no se observan en la cámara de niebla, ya que estas partículas no están cargadas eléctricamente.
Gamma de aniquilación
La aniquilación se produce en el momento en que la partícula se encuentra con su antipartícula. El ejemplo más conocido es la aniquilación del electrón y el positrón, produciendo dos fotones de rayos gamma. En la cámara de niebla, vemos este fenómeno como dos líneas delgadas (electrón y positrón) que terminan en el mismo lugar. No vemos radiación gamma de fotones en la cámara de niebla, ya que esta partícula no tiene carga eléctrica. Este fenómeno también se puede ver en orden inverso, cuando el fotón se descompone en un electrón y un positrón, cuyas líneas surgen desde el mismo lugar.
Partícula Oh-My-God
En 1991, por primera vez, se observaron partículas que tenían energía ultra alta comparable a, por ejemplo, la energía cinética de un balón de fútbol volador. Esta partícula ciertamente se origina en el espacio, por lo que ha llegado como parte de los rayos cósmicos, pero su origen exacto aún no es seguro. La partícula «Oh my God» era como un protón volador muy rápido. Teóricamente, una partícula de este tipo se puede observar en una cámara de niebla, pero hasta ahora se han observado solo unas pocas de tales partículas.
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El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que describe las tres fuerzas básicas (interacciones) y las partículas elementales (elementales) que componen toda la materia.
Todo el universo según esta teoría consiste en seis especies llamadas leptones y seis especies llamadas quarks. Podemos describir todas sus relaciones utilizando tres tipos de interacciones: interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Aunque ya sabemos que esta teoría obviamente no es perfecta, por ejemplo, no incluye la interacción gravitacional, esta teoría ahora se reconoce como el mejor modelo para el funcionamiento del universo. El electrón, el mion y el tauon tienen una carga elemental negativa, por lo que podemos verlos en la cámara de niebla, donde con mayor frecuencia vemos electrones y con menos frecuencia también miones.
Partículas elementales
La masa se compone de quarks y leptones. Los leptones incluyen electrones y sus variantes masivas de mion y tauon junto con los neutrinos correspondientes (electrón, mion y tauon). Para cada leptona existe su antipartícula, la más común de las cuales es el positrón, la antipartícula del electrón. De otras partículas, quarks, las partículas de hadrón están compuestas. Hay seis quarks, y cada uno tiene su antipartícula. Un ejemplo de una partículas compuestas de un quark es, por ejemplo, hadrones, protones y neutrones que constituyen los núcleos atómicos regulares. Quarks también se componen de mesones, como pion o kaon. Ambos mesones fueron descubiertos en una cámara de niebla.
Las interacciones descritas en el modelo de física de partículas estándar median partículas intermedias – interacción electromagnética de fotones (luz, radiación gamma), interacción débil de los bosones W +, W- y Z0 (radiactividad) e interacciones fuertes que median las partículas de gluón. La partícula es el bosón de Higgs, que es parte del campo de Higgs, que hace que las partículas W+, W- y Z0 sean distintas de cero. El bosón de Higgs es la última partícula descrubida del modelo estándar, como sucedió en 2012 en el detector CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el CERN.