Τι είναι το Wilson Cloud Chamber;
Το Wilson Cloud Chamber είναι ένας ανιχνευτής σωματιδίων που αποκαλύπτει το ίχνος υποατομικών σωματιδίων και ακτινοβολίας με τη μορφή ίχνους ομίχλης. χρησιμοποιήθηκε κυρίως στις αρχές του 1900.
Γνωρίζατε ότι μπορείτε να δείτε τη διέλευση υποατομικών σωματιδίων (και ακτινοβολίας) από την άνεση του καναπέ σας χρησιμοποιώντας μόνο λίγο οινόπνευμα, ένα διαφανές δοχείο και ξηρό πάγο;
Μην ανησυχείτε, ούτε εγώ το ήξερα!
Όπως αποδεικνύεται, τα προαναφερθέντα εξαρτήματα, μαζί με μερικά υποστηρικτικά και προστατευτικά κομμάτια εξοπλισμού, είναι αρκετά για την κατασκευή ενός θαλάμου νέφους —ένα είδος ανιχνευτή σωματιδίων— που χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της ακτινοβολίας. Ενώ η χρήση του θαλάμου νέφους Wilson ανήκει κυρίως στο παρελθόν, η συσκευή βοήθησε στην ανακάλυψη ποζιτρονίων και μιονίων (υποατομικά σωματίδια), μεταξύ άλλων, καθιστώντας την μια από τις πιο σημαντικές εφευρέσεις στον τομέα της σωματιδιακής φυσικής.
Κατασκευή του θαλάμου νέφους Wilson
Ο θάλαμος επινοήθηκε από τον Charles Wilson στα μέσα της δεκαετίας του 1890 και χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη δημιουργία μικρών νεφών και τη μελέτη των οπτικών φαινομένων που σχετίζονται με αυτά, εξ ου και το όνομα cloud chamber . Μεταγενέστερες μελέτες και παρατηρήσεις που έγιναν χρησιμοποιώντας τη συσκευή τον οδήγησαν να συνειδητοποιήσει ότι ο θάλαμος θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παρατήρηση της κίνησης των υποατομικών σωματιδίων. Σχεδόν 20 χρόνια αργότερα, ο Wilson τελειοποίησε το σχέδιό του και ανέπτυξε έναν από τους πρώτους ανιχνευτές σωματιδίων στον κόσμο.
Ο αρχικός θάλαμος νέφους του Wilson αποτελούνταν από τρεις μεμονωμένους υποθαλάμους (ευαίσθητος θάλαμος, θάλαμος ελέγχου και θάλαμος κενού), ένα έμβολο σφραγισμένο με νερό και μερικές βαλβίδες. Ο ευαίσθητος θάλαμος ήταν ένα σφραγισμένο περίβλημα γεμάτο με κορεσμένο αέρα (αέρας με 100% σχετική υγρασία, δηλαδή ο αέρας συγκρατεί τη μέγιστη ποσότητα υδρατμών που μπορεί στην επικρατούσα θερμοκρασία και πίεση). Η διέλευση των υποατομικών σωματιδίων φαίνεται σε αυτήν την ενότητα.
Στη συνέχεια, ο θάλαμος ελέγχου στέγαζε το έμβολο στο ένα άκρο και μια βαλβίδα (που άνοιγε στην ατμόσφαιρα) στο άλλο. Με το άνοιγμα της βαλβίδας, ο αέρας θα έτρεχε ορμητικά στον θάλαμο ελέγχου και θα ωθούσε το έμβολο προς τα πάνω, συμπιέζοντας έτσι το αέριο στον ευαίσθητο θάλαμο.
Ο αρχικός θάλαμος σύννεφων του Wilson.
Το κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής αέρα ακολούθησε το άνοιγμα μιας βαλβίδας εξαγωγής τοποθετημένης μεταξύ του θαλάμου ελέγχου και του θαλάμου κενού. Η βαλβίδα επέτρεψε στον αέρα στον θάλαμο ελέγχου να διαφύγει, γεγονός που άφησε χώρο στον αέρα στον ευαίσθητο θάλαμο να διασταλεί και να ωθήσει το έμβολο προς τα κάτω. Λόγω αυτού του επαναλαμβανόμενου κύκλου συμπίεσης-διαστολής του αέρα, ο θάλαμος νέφους του Wilson είναι επίσης γνωστός ως θάλαμος νέφους διαστολής. Ωστόσο, το έμβολο είχε ως αποτέλεσμα μια σπασμωδική κίνηση και αργότερα αντικαταστάθηκε με ένα ελαστικό διάφραγμα.
Εργασία ενός θαλάμου νέφους Wilson
Ο θάλαμος νέφους δεν εμφανίζει τα ίδια τα υποατομικά σωματίδια, αλλά αποκαλύπτει τα ίχνη τους με τη μορφή λεπτής ομίχλης, που προκύπτει από τη συμπύκνωση του ατμού λειτουργίας. Η διέλευση κάθε μεμονωμένου υποατομικού σωματιδίου οδηγεί σε ένα μοναδικό μονοπάτι ομίχλης/νέφους, το οποίο βοηθά στον εντοπισμό τους και στη μελέτη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς τους.
Η λειτουργία του θαλάμου νέφους ξεκινά με τη διαστολή του κορεσμένου αέρα και την καθοδική μετατόπιση του εμβόλου. Εδώ, σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, ο αέρας εκτελεί εργασίες στο έμβολο σε βάρος της εσωτερικής του ενέργειας. Η μείωση της εσωτερικής ενέργειας του αέρα αντικατοπτρίζεται από τη μείωση της θερμοκρασίας του. Κατά συνέπεια, ο κορεσμένος αέρας φθάνει σε μια υπερ-κορεσμένη κατάσταση, όπου ο ατμός είναι έτοιμος να συμπυκνωθεί, αλλά απαιτεί μια επιπλέον ώθηση. Αυτή η επιπλέον ώθηση παρέχεται από τη διασταύρωση φορτισμένων σωματιδίων μέσω του ευαίσθητου θαλάμου.
Φορτισμένα υποατομικά σωματίδια που διέρχονται από τον ευαίσθητο θάλαμο ιονίζουν τα μόρια του αέρα βγάζοντας τα ηλεκτρόνια έξω από τις τροχιές τους. Τα ιονισμένα μόρια έλκονται το ένα το άλλο και σχηματίζουν ένα ίχνος μορίων ιονισμένου αερίου. Αυτό το μονοπάτι λειτουργεί ως κέντρο συμπύκνωσης για τους υπερκορεσμένους ατμούς και εν ριπή οφθαλμού, μικρές σταγόνες νερού συμπυκνώνονται, σχηματίζοντας ένα ομιχλώδες ίχνος προτού κατακαθίσουν στον θάλαμο. Τα μονοπάτια συνήθως διαρκούν λίγα δευτερόλεπτα και τα χαρακτηριστικά τους εξαρτώνται από το ιοντίζον σωματίδιο.
Το ίχνος του πρώτου ποζιτρονίου που παρατηρήθηκε ποτέ χρησιμοποιώντας τον θάλαμο σύννεφων. (Φωτογραφία:Carl D. Anderson/Wikimedia Commons)
Για να επιτευχθούν τα καλύτερα αποτελέσματα, χρησιμοποιείται κανονικά μια πηγή ακτινοβολίας (ένα ραδιενεργό στοιχείο), αλλά ο θάλαμος λειτουργεί ακόμη και αν δεν υπάρχει πηγή, καθώς υπάρχουν μιόνια κοσμικής ακτινοβολίας που εισέρχονται συνεχώς στην ατμόσφαιρα της Γης. Τα κύρια μειονεκτήματα του αρχικού θαλάμου νέφους του Wilson περιελάμβαναν μια ασυνεχή ροή λειτουργίας και την περιορισμένη ποσότητα σωματιδίων που μπορούσε να ανιχνεύσει ανά δευτερόλεπτο.
Το 1936, ο Alexander Langsdorf κατασκεύασε έναν θάλαμο σύννεφων διάχυσης που μπορούσε να ανιχνεύει συνεχώς την ακτινοβολία και χρησιμοποίησε αλκοόλ, αντί για υδρατμούς, λόγω του χαμηλότερου σημείου πήξης. Ο θάλαμος σύννεφων διάχυσης απλοποίησε την κατασκευή του αρχικού θαλάμου σύννεφων της Wilson χρησιμοποιώντας ένα απλό γυάλινο δοχείο με ζεστό επάνω μέρος και κρύο πάτο. Οι αγωγοί και στις δύο πλευρές βοήθησαν στην εξάτμιση του αλκοόλ που ρέει μέσα στο δοχείο, ενώ ο πυθμένας συνήθως ψύχεται με ξηρό πάγο.
Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της πάνω και της κάτω επιφάνειας παρέχει μια απότομη διαβάθμιση θερμοκρασίας, ωθώντας τον κορεσμένο ατμό για να αποκτήσει μια υπερ-κορεσμένη κατάσταση. Δεδομένου ότι η διαβάθμιση θερμοκρασίας διατηρείται πάντα και ο θάλαμος δεν χρησιμοποιεί έμβολο για να το επιτύχει αυτό, η διέλευση της ακτινοβολίας μπορεί να ανιχνεύεται συνεχώς. Η υπόλοιπη διαδικασία εργασίας παραμένει πανομοιότυπη με τον αρχικό θάλαμο cloud του Wilson.
Θάλαμος σύννεφων διάχυσης. (Φωτογραφία:Nuledo/Wikimedia Commons)
Μια τελευταία λέξη
Για σχεδόν 30 χρόνια, το Wilson Cloud Chamber ήταν ο κύριος ανιχνευτής σωματιδίων και βρισκόταν στην πρώτη γραμμή της έρευνας στη σωματιδιακή φυσική. Η 30ετής βασιλεία του θαλάμου ολοκληρώθηκε με την εφεύρεση άλλων ανώτερων θαλάμων, δηλαδή του θαλάμου με φυσαλίδες, του θαλάμου σπινθήρα, του θαλάμου με σύρμα κ.λπ.
Ο θάλαμος φυσαλίδων μοιράζεται την αρχή λειτουργίας του ανιχνευτή σωματιδίων του Wilson, αλλά διαθέτει βελτιωμένη δομή και είναι ικανός να αποκαλύψει τα ίχνη των πιο ενεργητικών σωματιδίων. Ο συρμάτινος θάλαμος, μια πρόοδος του θαλάμου σπινθήρα, μπορεί να ανιχνεύσει έως και 1.000 σωματίδια ανά δευτερόλεπτο, ενώ οι θάλαμοι με φυσαλίδες μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο 1-2 σωματίδια ανά δευτερόλεπτο.
Οι εφευρέτες των προαναφερθέντων ανιχνευτών σωματιδίων (Charles Wilson, Donald Glaser &Georges Charpak, αντίστοιχα) τιμήθηκαν όλοι με τα βραβεία Νόμπελ φυσικής για την κατασκευή των σύνεργων για πολλαπλές βασικές μελέτες στο πεδίο. Χωρίς αυτούς τους ανθρώπους και τις μηχανές τους, πολλά από όσα γνωρίζουμε επί του παρόντος για τα υποατομικά σωματίδια και την ακτινοβολία θα εξακολουθούσαν να είναι καλυμμένα με μυστήριο!
