Mraková komora - Cloud chamber

„Cloud Chamber“ přeadresuje tady. Vývojáře videohry najdete na stránce Cloud Chamber (společnost). Informace o videohře viz Cloud Chamber (videohra).

A oblačná komora, také známý jako a Wilsonova oblačná komora, je detektor částic slouží k vizualizaci průchodu ionizující radiace.

stopa subatomárních částic pohybujících se nahoru skrz oblačnou komoru a ohýbajících se doleva (elektron by se otočil doprava)
Obr. 1: Fotografie cloudové komory použitá k prokázání existence pozitron. Pozorováno C. Andersonem.

Mraková komora se skládá z uzavřeného prostředí obsahujícího a přesycený pára voda nebo alkohol. Energeticky nabitá částice (například an alfa nebo beta částice ) interaguje s plynnou směsí srážením elektronů z molekul plynu pomocí elektrostatický síly během srážek, což vede ke stopě částic ionizovaného plynu. Výsledný ionty chovat se jako kondenzační centra kolem kterého se vytvoří mlhovitá stopa malých kapiček, pokud je směs plynů v bodě kondenzace. Tyto kapičky jsou viditelné jako „oblačná“ stopa, která přetrvává několik sekund, zatímco kapičky padají skrz páru. Tyto dráhy mají charakteristické tvary. Například stopa alfa částic je silná a rovná, zatímco elektronová stopa je chabá a vykazuje více důkazů o výchylkách kolizemi.

Mrakové komory hrály významnou roli ve experimentální fyzice částic od 20. do 50. let, až do příchodu bublinová komora. Zejména objevy pozitron v roce 1932 (viz obr. 1) a mion v roce 1936, oba Carl Anderson (oceněn a Nobelova cena za fyziku v roce 1936), použité cloudové komory. Objev kaon podle George Rochester a Clifford Charles Butler v roce 1947 byl také vyroben za použití cloudové komory jako detektoru.[1] V každém případě, kosmické paprsky byly zdrojem ionizujícího záření.

Vynález

Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), a skotský fyzik, je připočítán s vynálezem cloudové komory. Inspirováno pozorováním Brockenův přízrak při práci na vrcholu Ben Nevis v roce 1894 začal vyvíjet expanzní komory pro studium tvorby mraků a optických jevů ve vlhkém vzduchu. Velmi rychle zjistil, že ionty mohou v takových komorách působit jako centra pro tvorbu kapiček vody. Sledoval uplatnění tohoto objevu a zdokonalil první oblačnou komoru v roce 1911. Ve Wilsonově původní komoře byl vzduch uvnitř zapečetěného zařízení nasycen vodní párou, poté byla k expanzi vzduchu uvnitř komory použita membrána (adiabatický expanze), ochlazení vzduchu a začátek kondenzace vodní páry. Odtud název expanzní oblačná komora se používá. Když ionizující částice prochází komorou, kondenzuje vodní pára na výsledných iontech a stopa částice je viditelná v oblaku par. Wilson, spolu s Arthur Compton, obdržel Nobelova cena za fyziku v roce 1927 za jeho práci v oblačné komoře.[2] Tento druh komory se také nazývá a pulzní komora protože podmínky pro provoz nejsou trvale udržovány. Další vývoj provedl Patrick Blackett který použil tuhou pružinu k rychlému roztažení a komprimaci komory, čímž byla komora citlivá na částice několikrát za sekundu. A film byl použit k záznamu snímků.

The difuzní oblačná komora byl vyvinut v roce 1936 společností Alexander Langsdorf.[3] Tato komora se liší od expanzní oblačné komory tím, že je nepřetržitě senzibilizována na záření, a tím, že dno musí být chlazeno na poměrně nízkou teplotu, obvykle chladnější než -26 ° C (-15 ° F). Místo vodní páry alkohol se používá kvůli své nižší bod mrazu. Mrakové komory chlazené Suchý led nebo Peltierův efekt termoelektrické chlazení jsou běžná předváděcí a amatérská zařízení; alkohol, který se v nich používá, je běžný isopropylalkohol nebo methylovaný alkohol.

Struktura a provoz

Obr. 2: Mraková komora difuzního typu. Alkohol (typicky isopropanol) se odpařuje ohřívačem v potrubí v horní části komory. Chladicí pára sestupuje k černé chlazené desce, kde kondenzuje. Díky teplotnímu gradientu se nad spodní deskou vytvoří vrstva přesycených par. V této oblasti částice záření indukují kondenzaci a vytvářejí oblačné stopy.
Jak vznikají stopy kondenzace v komoře difúzní oblačnosti.
Obr.3: V komoře difuzního mraku prochází dráha alfa-částic 5,3 MeV ze zdroje kolíku Pb-210 poblíž bodu (1) Rutherfordův rozptyl poblíž bodu (2), vychýlení o úhel theta asi 30 stupňů. Rozptýlí se znovu poblíž bodu (3) a nakonec odpočívá v plynu. Cílovým jádrem v komorovém plynu mohlo být jádro dusíku, kyslíku, uhlíku nebo vodíku. Přijala dostatek kinetické energie při pružné kolizi, aby způsobila krátkou viditelnou zpětnou stopu poblíž bodu (2). (Stupnice je v centimetrech.)

Budeme zde diskutovat o oblačných komorách difúzního typu. Jednoduchá oblačná komora se skládá z uzavřeného prostředí, teplé horní desky a studené spodní desky (viz obr. 2). Vyžaduje zdroj kapalného alkoholu na teplé straně komory, kde se kapalina odpařuje a vytváří páru, která se ochlazuje, když propadá plynem a kondenzuje na studené spodní desce. Je zapotřebí nějaký druh ionizujícího záření.

Metanol, isopropanol, nebo jiná alkoholová pára nasycuje komoru. Alkohol při ochlazování klesá a studený kondenzátor poskytuje strmý teplotní gradient. Výsledkem je přesycené prostředí. Když energetické nabité částice procházejí plynem, opouštějí ionizační stopy. Alkoholová pára kondenzuje kolem stop plynných iontů, které po sobě zanechaly ionizující částice. K tomu dochází, protože molekuly alkoholu a vody jsou polární, což vede k čisté přitažlivé síle směrem k blízkému bezplatnému náboji. Výsledkem je mlhavý mrak podobný útvaru, který je patrný z přítomnosti kapiček padajících dolů do kondenzátoru. Když jsou stopy emitovány radiálně směrem ven ze zdroje, lze snadno určit jejich výchozí bod.[4] (Viz například obr. 3)

Těsně nad deskou studeného kondenzátoru je prostor komory, který je citlivý na ionizační stopy. Iontová stopa zanechaná radioaktivními částicemi poskytuje optimální spouštěč pro kondenzaci a tvorbu mraků. Tento citlivý objem se zvyšuje ve výšce použitím strmého teplotního gradientu a stabilních podmínek.[4] Silné elektrické pole se často používá k vykreslení oblačných stop dolů do citlivé oblasti komory a ke zvýšení citlivosti komory. Elektrické pole může také sloužit k zabránění velkého množství „deště“ na pozadí, aby nezakrylo citlivou oblast komory, způsobenou kondenzací vytvářející se nad citlivým objemem komory, čímž zakrylo stopy neustálým srážením. Černé pozadí usnadňuje sledování oblačných stop.[4] Typicky je zapotřebí tangenciální světelný zdroj. To osvětlí bílé kapičky na černém pozadí. Stopy často nejsou patrné, dokud se na desce kondenzátoru nevytvoří mělká kaluž alkoholu.

Pokud magnetické pole se aplikuje přes komoru mraku, pozitivně a negativně nabité částice se budou křivit v opačných směrech, podle Lorentzův silový zákon; dostatečně malých polí je obtížné dosáhnout, ale s malými fandy nastavení.

Jiné detektory částic

The bublinová komora byl vynalezen Donald A. Glaser USA v roce 1952, a za to mu byla v roce 1960 udělena Nobelova cena za fyziku. Bublinová komora podobně odhaluje stopy subatomárních částic, ale jako stopy bublin v přehřáté kapalině, obvykle kapalný vodík. Bublinové komory mohou být fyzicky větší než cloudové komory, a protože jsou naplněny mnohem hustším kapalným materiálem, odhalují stopy mnohem energetičtějších částic. Tyto faktory rychle učinily z bublinkové komory po několik desetiletí převládající detektor částic, takže cloudové komory byly na počátku 60. let účinně nahrazeny základním výzkumem.[5]

A jiskrová komora je elektrické zařízení, které používá mřížku neizolovaných elektrických vodičů v komoře s vysokým napětím mezi vodiči. Energeticky nabité částice způsobují ionizaci plynu po dráze částice stejným způsobem jako ve Wilsonově oblačné komoře, ale v tomto případě jsou elektrická pole v okolí dostatečně vysoká, aby urychlila rozpad plynu v plném rozsahu ve formě jisker na poloha počáteční ionizace. Přítomnost a umístění těchto jisker se poté elektricky zaregistruje a informace se uloží pro pozdější analýzu, například pomocí a digitální počítač.

Podobné účinky kondenzace lze pozorovat jako Wilsonovy mraky, nazývané také kondenzační mraky, při velkých explozích ve vlhkém vzduchu a dalších Prandtl – Glauertova jedinečnost účinky.

Viz také

Poznámky

  1. ^ „Nobelova cena za fyziku 1936“. Nobelprize.org. Citováno 7. dubna 2015.
  2. ^ „Nobelova cena za fyziku 1927“. www.nobelprize.org. Citováno 2015-04-07.
  3. ^ Frisch, O.R. (2013-10-22). Pokrok v jaderné fyzice, pásmo 3. p. 1. ISBN  9781483224923.
  4. ^ A b C Zani, G. fyzikální fakulta, Brown University, RI USA. „Wilsonova cloudová komora“. Aktualizováno 13. 5. 2016.
  5. ^ „Nobelova cena za fyziku 1960“. www.nobelprize.org. Citováno 2015-04-07.

Reference

externí odkazy

  • Domácí cloudová komora.

  • Snímek pořízený na Pic du Midi ve výšce 2877 mv oblačné komoře Phywe PJ45 (velikost povrchu je 45 x 45 cm). Tento vzácný obrázek ukazuje v jediném záběru 4 částice, které jsou detekovatelné v oblačné komoře: proton, elektron, mion (pravděpodobně) a alfa

  • Mraková komora s viditelnými stopami z ionizující radiace (krátké, silné: α-částice; dlouhé, tenké: β-částice). Viz také Animovaná verze

  • Video z cloudové komory v akci

  • Příklad vodou chlazené termoelektrické oblačné komory

  • Mraková komora s oblačnými stopami vytvořenými částicemi ionizující záření (Snímek pořízený po injekci radon )

  • Alfa částice ze zdroje radia v oblačné komoře

  • Radon-220 se rozpadá v oblačné komoře

  • Alfa částice a elektrony (odkloněné magnetickým polem) z thoriové tyče v oblačné komoře

  • Radioaktivita hornického minerálu pozorovaná v oblačné komoře