Cos’è una camera a nebbia?
La camera a nebbia, nota anche come Camera di Wilson, è un dispositivo unico che mostra tracce invisibili di particelle radioattive. È uno strumento unico per l’insegnamento, la dimostrazione e la divulgazione correlata alla fisica delle particelle e alla fisica nucleare.
Come funziona la camera a nebbia?
La teoria delle camere a nebbia si sovrappone alla teoria delle transizioni di fase. L’invenzione stessa della camera a nebbia è attribuita al fisico scozzese Charles Wilson, che ha studiato la formazione di nebbia nelle camere a nebbia ad espansione (ad esempio, camere a nebbia che assicurano le condizioni di condensazione tramite gas dilatato). La precipitazione di goccioline liquide dal vapore richiede due condizioni di base. La pressione satura del vapore a determinati valori di pressione e temperatura e di nuclei di condensazione. Wilson osservò che, oltre alla polvere e ad altre particelle solide, gli ioni potevano agire come nuclei di condensazione. Così sono state gettate le basi teoriche della camera a nebbia.
Spiegazione della funzione della camera a nebbia
Le camere a nebbia sono dispositivi per la visualizzazione delle particelle di radiazioni ionizzanti. Questa radiazione proviene dal decadimento di materiali radioattivi. Tuttavia, le particelle di radiazioni ionizzanti sono molto piccole e si muovono ad alta velocità, quindi non sono osservabili ad occhio nudo.
Le tracce di nebbia visualizzate si formano a causa di condizioni specifiche all’interno della camera a nebbia. La base è creare strati di vapori saturi di alcol isopropilico. Lo strato di vapori saturi si forma sopra la piastra di osservazione nera creando un gradiente di temperatura. Mentre la lastra di osservazione viene raffreddata, nella parte superiore dello spazio interno della camera di nebulizzazione – nella scanalatura – l’alcol isopropilico si surriscalda. L’alcol isopropilico caldo, evaporando, scende alla piastra di osservazione fredda, sulla quale produce uno strato di vapore saturo spesso circa un centimetro.
Se attraverso lo strato di vapore saturo di alcol isopropilico sono presenti particelle caricate elettricamente, è possibile vederne la traccia dei loro movimenti sotto forma di strisce bianche brillanti. Le particelle caricate causano la ionizzazione delle molecole di alcol isopropilico, che quindi agiscono come nuclei di condensazione. La traccia bianca osservata è quindi un raggruppamento di gocce molto piccole di alcol isopropilico formate dalla condensazione improvvisa.
La traccia bianca della particella contrasta con la superficie nera ed è così facilmente visibile a occhio nudo. Non esistono tracce identiche e per di più differiscono in modo tale che risulta relativamente facile determinare quali sono le particelle che attraversando la nube di condensa producono impronte, o addirittura le proprietà specifiche e la fonte che le ha prodotte.
La creazione di tracce bianche nella camera a nebbia può essere paragonata alla formazione di scie nel cielo dietro agli aeroplani. Quando l’aereo vola ad un’altezza sufficiente dove è presente vapore acqueo saturo, si verifica un fenomeno di condensazione. E sullo stesso principio, i segni bianchi appaiono anche nelle camere a nebbia.
La prima camera a nebbia è stata inventata dal fisico scozzese Charles Thomson Rees Wilson, quando nel 1911, dopo quasi venti anni di sviluppo, ha avviato il primo prototipo di macchina ed effettuato la prima osservazione.
Nel 1927 vince il premio Nobel per la fisica per la scoperta del principio dei percorsi visibili delle particelle caricate elettricamente mediante condensazione di vapore saturo.
Osservazione di fenomeni e particelle
Radioattività
La radioattività o anche decadimento radioattivo è il fenomeno in cui questo si verifica la trasformazione della struttura interna dei nuclei atomici, spesso accompagnata da radiazioni (alfa, beta, gamma) ionizzanti. La radioattività è originariamente un fenomeno completamente naturale e assolutamente non causato dall’attività umana. Le sostanze radioattive sono molte al mondo, come l’uranio o perfino le banane comuni.
Una mutazione di radioattività può essere approssimata con un semplice confronto. Immagina una persona obesa. Questa condizione è generalmente innaturale per gli esseri umani, che dunque vogliono sbarazzarsi dell’obesità, il che significa perdere peso. Il modo più semplice per farlo è gettare le scorte di grasso in eccesso. Lo stesso procedimento vale anche per i nuclei atomici che si trovano in uno stato innaturale, ad esempio hanno un numero di neutroni troppo elevato o gli stessi neutroni sono troppo grandi. Tale nucleo cambia la sua struttura naturalmente, ad esempio riducendo le radiazioni di particella alfa emettitori (due protoni e due neutroni) o anche, per esempio, convertendo neutrone in protone, in questo caso si ha una radiazione di elettroni (decadimento radioattivo beta meno).
Sebbene il concetto di radioattività sia associato più frequentemente con le centrali nucleari, il quantitativo di radiazioni da esse prodotto, se confrontato a quello a cui la Terra ci espone ordinariamente in maniera del tutto naturale, è molto piccolo, anche tenendo conto degli incidenti nucleari, come l’incidente alla centrale nucleare di Chernobyl del 1986 e quello di Fukushima Daiichi nel 2011.
La scienza del non visibile
Molti concetti scientifici sono molto difficili da capire. Alcuni sono molto strutturati a livello matematico matematica, altri sono complessi nello svolgimento. Altri ancora risultano difficili da comprendere a causa delle loro dimensioni. Molecole, atomi, particelle subatomiche, tutto ciò che costituisce una struttura di pensiero insolitamente utile per la scienza. Perché il mondo intero crede in qualcosa che non possiamo vedere in alcun modo? Ci sono innumerevoli prove sperimentali che confermano le nostre teorie. Anche se le particelle del microcosmo sono invisibili e difficili da immaginare, la loro esistenza è confermata da innumerevoli prove. Elettricità, onde radio, elettronica, prodotti farmaceutici e altri prodotti chimici, le centrali nucleari e molto altro esistono a causa della validità di queste teorie. Il grande problema della scienza del microcosmo è sempre stato la rappresentazione delle particelle. Il metodo più immediato per visualizzare le particelle è il metodo delle camere a nebbia. In esse anche le più piccole particelle elementari causano la precipitazione di goccioline di liquido per creare tracce nebulose facilmente visibili. Oggi, la camera a nebbia nella scienza è sostituita con dispositivi elettronici ma, in termini di esperienza visiva, rimangono insuperate.
FENOMENI OSSERVABILI
BASI
Particelle Alfa
La particella alfa è una combinazione di due protoni e due neutroni, in sostanza si tratta di un nucleo di elio. Le particelle alfa lasciano nella nebbia tracce più corte ma più forti. La corrente delle particelle alfa è chiamata radiazione alfa. È la radiazione meno penetrante e può essere bloccata, per esempio, da un foglio di carta, o da pochi metri di aria. In natura, le fonti di radiazioni alfa sono l’uranio, il radio o il radon. L’isotopo del radon Rn-222 è noto per il suo potenziale di accumulo negli edifici, in genere rilasciato dalla crosta terrestre. Un esempio di una fonte artificiale di radiazione alfa è l’isotopo Am-241 dell’americio, che naturalmente non si trova in natura.
Elettroni
Le tracce nebulose di diversa origine, spesso sottili e sinuose o sottili e dirette, appartengono agli elettroni. La portata delle oscillazioni di traiettoria dell’elettrone dipende dalla sua energia. Mentre gli elettroni ad alta energia tracciano un percorso in linea retta, gli elettroni a energia più bassa cambiano direzione a causa dell’impatto con le molecole di alcol isopropilico. Gli elettroni nella camera a nebbia hanno origine da trasformazioni radioattive effettuate sul terreno, sia come parte di uno sfondo radioattivo naturale che da radiazioni cosmiche secondarie. La corrente degli elettroni è chiamata radiazione beta meno. La radiazione beta è più pronunciata della radiazione alfa, ad esempio può essere oscurata, ad esempio, da un foglio di piombo spesso 1 mm.
Positroni
Il positrone, la prima particella di antimateria osservata, è una particella di elettrone. La sua traccia è identica a quella di un elettrone, è possibile distinguere le tracce di queste particelle posizionando la camera a nebbia in un campo magnetico, in questo modo le tracce di elettroni e positroni iniziano a ruotare in direzioni opposte. In effetti, il positrone fu rilevato per la prima volta nel 1932 da Carl Anderson, che ricevette il premio Nobel per la fisica grazie questa scoperta. I positroni osservati provengono da raggi cosmici o disastri naturali di atomi sulla terra. I flussi di positroni sono chiamati radiazioni beta più. Un esempio di fonte naturale di decadimento radioattivo beta più è il potassio 40K, comunemente contenuto nelle banane. Il consumo di una banana rappresenta una dose corrispondente all’1% della dose media giornaliera di radiazioni a cui gli umani sono comunemente esposti. I positroni si trovano anche in medicina, in particolare nella tomografia a emissione di positroni (PET). Questo è un metodo di visualizzazione che visualizza i singoli tessuti. Questo metodo si basa sull’interazione con i radiofarmaci che vengono somministrati al paziente. Il radiofarmaco è una fonte di radiazioni beta più un emettitore di positroni. I positroni si annullano con gli elettroni (annichilazione) presenti negli atomi del corpo. Il rilevatore registra i fotoni emessi dall’annichilazione. Nella camera a nebbia, l’annichilazione di positroni ed elettroni può essere rilevato mediante la traccia della camera di nebbia.
Protoni
I protoni, particelle che formano i nuclei degli atomi, producono tracce marcate, che spesso attraversano l’intera area della camera a nebbia. Questi protoni hanno origine nelle radiazioni cosmiche. Le tracce dei protoni possono lasciare una traccia attraverso la superficie di osservazione, ma anche una traccia più breve o addirittura un punto, a seconda dell’angolo in cui il protone entra nella camera a nebbia. I protoni possono anche essere trovati in medicina, in particolare nella radioterapia. Nella terapia protonica, i protoni accelerati sono utilizzati per irradiare il tessuto malato, rispettivamente tumori e carcinomi. La terapia protonica è un esempio di utilizzo del tipo di dispositivo di ricerca originale per una particolare applicazione: i protoni accelerano con un acceleratore di particelle (ciclotrone).
IMPORTANTE
Muone
I muoni sono formati dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera e penetrano nella superficie terrestre, dove possono essere visti, ad esempio, in una camera a nebbia. I muoni possono essere visti nella camera di nebbia nonostante la loro brevissima vita, grazie all’estensione del tempo, uno degli effetti della teoria della relatività speciale. I muoni si spostano a terra ad una velocità prossima alla velocità della luce, in modo che possano raggiungere il terreno prima di disgregarsi.
Se nella nebbia si vede una traccia simile all’elettrone, ma sempre molto dritta (grazie all’elevata velocità delle particelle), è possibile che si tratti solo di un muone!
Fasci di radiazione cosmica
La radiazione cosmica è una particella che arriva dal cosmo ad alta velocità e precipita nell’atmosfera terrestre, dove si verifica una radiazione cosmica secondaria a causa dell’interazione con gli atomi nell’atmosfera. Nella camera a nebbia, le radiazioni cosmiche possono essere visti chiaramente attraverso i fasci di raggi cosmici secondari, come alcuni fari antinebbia che puntano nella stessa direzione nello stesso momento. Le particelle di radiazione cosmica provengono dal Sole, ma anche dallo spazio interstellare e intergalattico.
Elettroni raggi delta
Durante il passaggio di una particella relativamente pesante ad alta energia, può essere osservata nella camera di nebbia la cosiddetta radiazione delta. Si tratta di elettroni estratti da molecole di alcol isopropilico passando attraverso particelle pesanti come ad esempio i protoni. Nella camera a nebbia poi osserviamo, attorno a una traccia in linea retta di un protone, le tracce sottili degli elettroni risultanti dalla ionizzazione di molecole di isopropanolo. Queste fughe di elettroni sono chiamate radiazioni delta, delta ray in inglese.
Osservazione indiretta dei raggi gamma – Compton scattering
La radiazione gamma può essere osservata direttamente in una camera a nebbia, dal momento che si tratta di luce reale e non di un flusso di particelle cariche, come nel caso di radiazioni alfa e beta. Tuttavia, questo fatto può essere parzialmente aggirato. Ponendo una sorgente di radiazioni gamma nella camera di vetro della camera a nebbia, gli elettroni vengono estratti dalle molecole create dal vetro. Questi elettroni sono osservabili nella camera di nebbia.
Particelle alfa a forma di “V” dopo decadimento del radon
Le tracce a forma di “V” includono due particelle alfa irradiate a brevissimi intervalli di tempo una dopo l’altra. Se nell’area di osservazione della camera a nebbia è presente del radon 220Rn, possiamo osservare il decadimento di polonio 216Po che decade quasi immediatamente in Piombo 212Pb. Questi due detrimenti sono accompagnati dalla radiazione di un totale di due particelle alfa che osserviamo nella nebbia.
Il radon 220Rn può essere iniettato nell’area di osservazione della camera di nebulizzazione grazie al pulsante interattivo del modulo.
Dimostrazione dell’emivita di decadimento del radon
L’emivita di decadimento è il momento in cui decade la metà del numero effettivo di nuclei atomici nel campione. Nella camera a nebbia, possiamo avvicinarci a questa nozione con l’aiuto del radon 220Rn e delle caratteristiche tracce a forma di “V”. Dopo che il radon 220Rn è stato iniettato nell’area di osservazione della camera a nebbia, osserviamo il numero massimo di tracce a forma di “V”. Il radon 220Rn ha un’emivita di un minuto, quindi in questo periodo vedremo la metà della “V” fermata. Se si attende un ulteriore minuto, ovvero un’ulteriore emivita, vedremo nella camera a nebbia la metà di una metà delle tracce “V” del numero massimo di tracce che abbiamo osservato dopo l’iniezione di radon 220Rn. Il radon 220Rn può essere iniettato nell’area di osservazione della camera di nebulizzazione grazie al pulsante interattivo del modulo.
Visualizzazione della catena di decadimento del torio
La catena di decadimento del Torio è una delle quattro catena di decadimento di base. Si tratta di una sequenza di elementi, ove esplicitamente specificato, in base alla quale un elemento instabile decade sotto l’influenza dell’elemento successivo ed emette un certo tipo di particelle (per esempio particelle alfa o elettroni). Nella camera a nebbia possiamo osservare le catene di decadimento del Torio, quando, dopo l’iniezione di radon 220Rn, nella zona di osservazione rileviamo due tracce di particelle alfa dopo il decadimento del radon 220Rn al polonio 216Po e il successivo decadimento al piombo 212Pb. Il radon 220Rn può essere iniettato nell’area di osservazione della camera di nebulizzazione grazie al pulsante interattivo del modulo.
Particelle alfa emesse da una sorgente di radiazioni alfa
Oltre a osservare lo sfondo radioattivo naturale, è possibile osservare tracce di particelle radioattive posizionando una fonte artificiale nell’area di osservazione della camera di nebbia. La fonte di particelle delle radiazioni alfa, delle particelle alfa, è, ad esempio, l’americio 241Am. All’inserimento nell’area di osservazione, si possono osservare le tracce delle particelle alfa irradiate. Una sorgente artificiale di particelle alfa da americio 241Am può essere immessa nell’area di visualizzazione della camera a nebbia utilizzando il pulsante virtuale modulo.
Elettroni emessi da una sorgente di radiazioni beta
Oltre a osservare le tracce di particelle radioattive su un fondale radioattivo naturale, è possibile osservare tracce di particelle radioattive posizionando una fonte artificiale nell’area di osservazione della camera di nebbia. Una fonte delle particelle di beta, elettrone, per esempio, è lo stronzio 90Sr. Dopo il suo inserimento nell’area di osservazione, è possibile osservare il ventaglio omnidirezionale dei fasci di elettroni. L’elettrone 90Sr dello stronzio artificiale può essere inserito nell’area di osservazione della camera di nebulizzazione utilizzando il modulo interattivo.
MOLTO IMORTANTE
Pione
I pioni sono particelle composte da una coppia di particelle elementari di quark “u” e “d”, ciascuna contenente un quark e un antiquark. Nella camera a nebbia vediamo solo tracce di pioni carichi. Le tracce dei pioni sono molto simili alle tracce degli elettroni ed è difficile distinguere le rispettive tracce; è possibile distinguerle in base al percorso delle tracce nella camera di nebbia. I pioni sono anche parte dei raggi cosmici secondari che si formano nell’atmosfera dalle interazioni di particelle di raggi cosmici primari con le particelle dell’atmosfera.
Kaone
I Kaoni sono particelle composte da un quark “s” e un quark “u” o “d”, formano sempre una coppia di un quark e un antikquark. In una camera a nebbia si può identificare questa particella solo tramite una traccia causata dal decadimento di un kaone, poiché i kaoni decadono in pioni. I kaoni furono scoperti nelle immagini di una camera a nebbia nel 1947 durante lo studio delle radiazioni cosmiche secondarie, di cui fanno parte.
Scattering elastico dei protoni
Lo scattering elestico di un protone è uno dei fenomeni più rari che possono essere osservati in una nebbia. È un tipo di interazione che si verifica durante la collisione di due protoni.
Decadimento di un muone attraverso interazioni deboli
In una camera a nebbia, può essere osservato il decadimento di un muone attraverso interazioni deboli con un elettrone. Questo decadimento è chiaramente identificabile tramite il corso della traccia prodotta. La spessa traccia nebbiosa di un muone si rompe improvvisamente e si fa più tenue – dopo il decadimento del muone osserviamo una traccia di elettroni, più sottile. Altre particelle (il neutrino muonico e l’antineutrino elettronico) non sono osservabili nella camera, poiché queste particelle non sono elettricamente cariche.
Annichilazione Gamma
L’annichilazione avviene nel momento in cui la particella incontra la sua antiparticella. L’esempio più noto è l’annientamento dell’elettrone e del positrone, che producono due fotoni di raggi gamma. Nella camera a nebbia, questo fenomeno è visualizzato tramite due tracce sottili (elettrone e positrone) che terminano in uno stesso luogo. Non vediamo il fotone causato da radiazioni gamma nella camera, in quanto questa particella non porta alcuna carica elettrica. Questo fenomeno può essere osservato in ordine inverso quando il fotone decade in un elettrone e un positrone, le cui tracce partono dallo stesso luogo.
Oh-my-god particle – particella ‘Oh mio dio’
Nel 1991, è stata osservata per la prima volta una particella che aveva un’energia altissima, paragonabile ad esempio con l’energia cinetica di un pallone da calcio osservata tirato a mezz’aria. Questa particella si è certamente originata nello spazio, quindi è arrivata come parte di raggi cosmici, ma la sua origine esatta non è ancora certa. La particella “Oh mio dio” era molto simile a un protone molto veloce. Teoricamente, tale particella è osservabile in una camera a nebbia tuttavia finora sono state osservate solo pochi di queste particelle. Nuledo Unica e con miglioramento modulare
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Il modello standard delle particelle è una teoria che descrive le tre forze fondamentali (interazioni) e le particelle elementari che costituiscono tutta la materia.
Tutto l’universo, secondo questa teoria è costituita da sei tipi di cosiddetti “leptoni” e sei tipi di cosiddetti “quark”. Possiamo riassumere tutti i loro rapporti utilizzando tre tipi di interazioni – forti, deboli, ed elettromagnetiche. Pur sapendo già che questa teoria non è ovviamente perfetta in quanto, per esempio, non include l’interazione gravitazionale, questa teoria è ad ora riconosciuta come il modello migliore in assoluto per spiegare il funzionamento dell’universo. Elettrone, muone e tauone hanno una carica elementare negativa, possiamo quindi osservarli in una camera a nebbia, dove possono essere osservati molto spesso proprio elettroni e muoni, meno spesso anche i tauoni.
Particelle elementari
La materia è costituita da quark e leptoni. I leptoni comprendono elettroni e le loro varianti “pesanti”, muoni e tauoni, con i neutrini corrispondenti (di elettroni, muoni e tauoni). Per ogni leptone c’è una antiparticella, la più comune delle quali è il positrone, antiparticella dell’elettrone. Gli adroni sono invece particelle composte dalle altre particelle, i quark. Esistono sei tipi quark, e ciascuno ha la sua antiparticella. Esempi di particelle composte da quark sono adroni, neutroni e protoni, che sono le componenti tipiche dei nuclei atomici. Dai quark sono composti anche i cosiddetti “mesoni”, ad esempio il pione e il kaone. Entrambi questi tipi di mesoni sono stati scoperti tramite le camere a nebbia.
L’interazione descritta nel modello standard della fisica delle particelle tramite le particelle vettore – fotoni per l’interazione elettromagnetica (luce, radiazione gamma), bosoni per l’interazione debole W+, W- e Z0 (radioattività) e gluoni per l’interazione forte. Una particella specifica è poi il bosone di Higgs, che è una parte del cosiddetto campo di Higgs attraverso il quale le particelle W+, W- e Z0 acquisiscono una massa non nulla. Il bosone di Higgs è l’ultima particella del Modello Standard ad essere stata scoperta, ed è accaduto nel 2012 al rivelatore CMS presso il Grande Collisore di Adroni (LHC), del CERN.