Bulut odası - Cloud chamber

"Bulut Odası" buraya yönlendirir. Video oyunu geliştiricisi için bkz Bulut Odası (şirket) . Video oyunu için bkz Bulut Odası (video oyunu) .

Bir sis odası olarak da bilinen, Wilson sis odasında , a, parçacık detektörü geçişini görselleştirilmesi için kullanılan iyonize edici radyasyon .

Bulut odasında yukarı doğru hareket eden ve sola doğru bükülen atom altı parçacığın izi (bir elektron sağa dönmüş olurdu)
Şekil 1: Pozitronun varlığını kanıtlamak için kullanılan bulut odası fotoğrafı . C. Anderson tarafından gözlemlendi.

Bir bulut odası, aşırı doymuş bir su veya alkol buharı içeren kapalı bir ortamdan oluşur . Enerji yüklü bir parçacık (örneğin, bir alfa veya beta parçacığı ) , çarpışmalar sırasında elektrostatik kuvvetler yoluyla elektronları gaz moleküllerinden kopararak gazlı karışımla etkileşir ve iyonize gaz parçacıklarının bir izine neden olur. Ortaya çıkan iyonlar , gaz karışımı yoğuşma noktasındaysa, çevresinde sis benzeri küçük damlacıklar izinin oluştuğu yoğuşma merkezleri olarak hareket eder . Bu damlacıklar, damlacıklar buharın içinden düşerken birkaç saniye devam eden bir "bulut" izi olarak görülebilir. Bu izler karakteristik şekillere sahiptir. Örneğin, bir alfa parçacığı izi kalın ve düzken, bir beta parçacığı izi bir tutamdır ve çarpışmalardan kaynaklanan sapmalara dair daha fazla kanıt gösterir.

Bulut odaları, 1920'lerden 1950'lere, kabarcık odasının ortaya çıkmasına kadar deneysel parçacık fiziğinde önemli bir rol oynadı . Özellikle, 1932'de pozitronun (bkz. Şekil 1) ve 1936'da müon'un her ikisi de Carl Anderson tarafından ( 1936'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü ) keşiflerinde bulut odaları kullanıldı. Kaonun 1947'de George Rochester ve Clifford Charles Butler tarafından keşfi de dedektör olarak bir bulut odası kullanılarak yapıldı. Her durumda, kozmik ışınlar iyonlaştırıcı radyasyonun kaynağıydı.

Buluş

Şekil 2: CTR Wilson'ın Cavendish Lab, Cambridge İngiltere'deki orijinal bulut odası.

İskoç fizikçi Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), bulut odasını icat etmekle tanınır. 1894'te Ben Nevis'in zirvesinde çalışırken Brocken hayaletinin görüntülerinden esinlenerek , nemli havada bulut oluşumunu ve optik olayları incelemek için genişleme odaları geliştirmeye başladı. Çok hızlı bir şekilde iyonların bu tür odalarda su damlası oluşumu için merkezler olarak hareket edebileceğini keşfetti. Bu keşfin uygulamasını sürdürdü ve 1911'de ilk bulut odasını mükemmelleştirdi. Wilson'un orijinal odasında (Bkz. Şekil 2), sızdırmaz cihazın içindeki hava su buharıyla doyuruldu, ardından odanın içindeki havayı genişletmek için bir diyafram kullanıldı. ( adyabatik genleşme), havanın soğutulması ve su buharının yoğunlaşmaya başlaması. Bu nedenle genişleme bulut odası adı kullanılır. İyonlaştırıcı bir parçacık hazneden geçtiğinde, su buharı ortaya çıkan iyonlar üzerinde yoğunlaşır ve parçacığın izi buhar bulutunda görünür. Wilson , 1927'de bulut odası üzerindeki çalışmaları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'nün yarısını aldı (Arthur Compton ile aynı yıl, Compton Etkisi için ödülün yarısını aldı ). Bu tür bir odaya darbeli oda da denir, çünkü çalışma koşulları sürekli olarak korunmaz. Odayı çok hızlı bir şekilde genişletmek ve sıkıştırmak için sert bir yay kullanan ve odayı saniyede birkaç kez parçacıklara duyarlı hale getiren Patrick Blackett tarafından daha fazla gelişme yapıldı . Görüntüleri kaydetmek için bir sinema filmi kullanıldı.

Difüzyon sis odası tarafından 1936 yılında geliştirilen Alexander Langsdorf . Bu oda, sürekli olarak radyasyona duyarlı hale gelmesi ve tabanın oldukça düşük bir sıcaklığa, genellikle −26 °C'den (-15 °F) daha soğuk bir sıcaklığa soğutulması gerektiğinden, genişleme bulut odasından farklıdır. Daha düşük donma noktası nedeniyle su buharı yerine alkol kullanılır . Kuru buz veya Peltier etkisi termoelektrik soğutma ile soğutulan bulut odaları , yaygın gösteri ve hobi cihazlarıdır; bunlarda kullanılan alkol genellikle izopropil alkol veya metil alkoldür .

Yapı ve çalışma

Şekil 3: Difüzyon tipi bir bulut odası. Alkol (tipik olarak izopropanol), odanın üst kısmındaki bir kanaldaki bir ısıtıcı tarafından buharlaştırılır. Soğuyan buhar, yoğunlaştığı siyah soğutulmuş plakaya iner. Sıcaklık gradyanı nedeniyle, alt plakanın üzerinde aşırı doymuş bir buhar tabakası oluşur. Bu bölgede radyasyon parçacıkları yoğunlaşmaya neden olur ve bulut izleri oluşturur.
Şekil 4: Bir difüzyon bulut odasında yoğuşma izleri nasıl oluşur.
Şekil 5: Bir difüzyon bulut odasında, Nokta (1) yakınındaki bir Pb-210 pin kaynağından gelen 5.3 MeV'lik bir alfa parçacığı izi, Nokta (2) yakınında Rutherford saçılımına uğrar ve teta açısıyla yaklaşık 30 derece sapar. Bir kez daha Nokta (3)'ün yanına dağılır ve sonunda gazın içinde durur. Oda gazındaki hedef çekirdek, bir nitrojen, oksijen, karbon veya hidrojen çekirdeği olabilirdi. Nokta (2) yakınında kısa bir görünür geri tepme izine neden olmak için esnek çarpışmada yeterli kinetik enerji aldı. (Ölçek santimetre cinsindendir.)

Difüzyon tipi bulut odaları burada tartışılacaktır. Basit bir bulut odası, kapalı ortam, sıcak üst plaka ve soğuk alt plakadan oluşur (Bkz. Şekil 3). Sıvının buharlaştığı, gazın içinden geçerken soğuyan ve soğuk alt plaka üzerinde yoğunlaşan bir buhar oluşturan odanın sıcak tarafında bir sıvı alkol kaynağı gerektirir. Bir çeşit iyonlaştırıcı radyasyona ihtiyaç vardır.

İzopropanol , metanol veya diğer alkol buharı hazneyi doyurur. Alkol soğudukça düşer ve soğuk kondansatör dik bir sıcaklık gradyanı sağlar. Sonuç, aşırı doygun bir ortamdır. Enerji yüklü parçacıklar gazdan geçerken iyonlaşma izleri bırakırlar. Alkol buharı, iyonlaştırıcı parçacıkların geride bıraktığı gaz halindeki iyon izleri etrafında yoğunlaşır. Bu, alkol ve su moleküllerinin polar olması ve yakındaki bir serbest yüke doğru net bir çekici kuvvet ile sonuçlanması nedeniyle oluşur (Bkz. Şekil 4). Sonuç, yoğunlaştırıcıya düşen damlacıkların varlığıyla görülen puslu bulut benzeri bir oluşumdur. İzler bir kaynaktan yayıldığında, çıkış noktaları kolaylıkla belirlenebilir. Şekil 5, Rutherford saçılmasından geçen bir Pb-210 pin tipi kaynaktan bir alfa parçacığının bir örneğini göstermektedir .

Soğuk kondenser plakasının hemen üzerinde, iyonlaşma yollarına duyarlı bir hazne hacmi vardır. Radyoaktif parçacıkların bıraktığı iyon izi, yoğunlaşma ve bulut oluşumu için en uygun tetikleyiciyi sağlar. Bu hassas hacmin yüksekliği, dik bir sıcaklık gradyanı ve kararlı koşullar kullanılarak artırılır. Bulut izlerini odanın hassas bölgesine çekmek ve odanın hassasiyetini artırmak için genellikle güçlü bir elektrik alanı kullanılır. Elektrik alanı aynı zamanda büyük miktarlardaki arka plan "yağmurunun", odanın hassas hacminin üzerinde oluşan yoğuşmanın neden olduğu, odanın hassas bölgesini engellemesini ve böylece sürekli yağış nedeniyle izlerin kapanmasını önlemeye de hizmet edebilir. Siyah bir arka plan, bulut izlerini gözlemlemeyi kolaylaştırır ve beyaz damlacıkları siyah arka plana karşı aydınlatmak için tipik olarak teğet bir ışık kaynağı gerekir. İzler genellikle kondansatör plakasında sığ bir alkol havuzu oluşana kadar belirgin değildir.

Bulut odası boyunca bir manyetik alan uygulanırsa, pozitif ve negatif yüklü parçacıklar Lorentz kuvvet yasasına göre zıt yönlerde kıvrılır ; Bununla birlikte, küçük hobi kurulumlarıyla yeterince güçlü alanlara ulaşmak zordur.

Diğer parçacık dedektörleri

Kabarcık odası tarafından icat edilmiştir Donald A. Glaser 1952 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nin ve bunun için, o kabarcık odası benzer atomaltı parçacıkların izlerini ortaya çıkarır, ancak 1960 yılında Nobel Fizik Ödülü verildi bir kabarcıkların yollar olarak aşırı ısıtılmış sıvı, genellikle sıvı hidrojen . Kabarcık odaları, bulut odalarından fiziksel olarak daha büyük yapılabilir ve çok daha yoğun sıvı malzeme ile dolduruldukları için çok daha enerjik parçacıkların izlerini ortaya çıkarırlar. Bu faktörler, kabarcık odasını birkaç on yıl boyunca hızla baskın parçacık detektörü haline getirdi, böylece bulut odaları 1960'ların başında temel araştırmalarda etkin bir şekilde yerini aldı.

Bir kıvılcım odası , teller arasında yüksek voltaj uygulanan bir oda içinde yalıtılmamış elektrik tellerinden oluşan bir ızgara kullanan elektrikli bir cihazdır. Enerji yüklü parçacıklar, Wilson bulut odasında olduğu gibi parçacığın yolu boyunca gazın iyonlaşmasına neden olur, ancak bu durumda ortamdaki elektrik alanları, kıvılcım şeklinde tam ölçekli gaz bozulmasını çökeltmeye yetecek kadar yüksektir. İlk iyonlaşmanın konumu. Bu kıvılcımların mevcudiyeti ve konumu daha sonra elektriksel olarak kaydedilir ve bilgi, örneğin bir dijital bilgisayar gibi daha sonraki analizler için saklanır .

Benzer yoğuşma etkileri, yoğuşma bulutları olarak da adlandırılan Wilson bulutları , nemli havadaki büyük patlamalarda ve diğer Prandtl-Glauert tekillik etkilerinde gözlemlenebilir .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Galeri

  • Genişleme bulut odasındaki radyoizotoplardan parçacık izleri. (Solda) Am-241 kaynağından gelen alfa izleri, bir beta izi muhtemelen onun kızı radyonüklidi Pa-233'ten. (Sağ) Sr-90/Y-90 kaynağından Beta izler.

  • Ev Yapımı Bulut Odası.

  • Pic du Midi'de 2877 m'de bir Phywe PJ45 bulut odasında çekilmiş görüntü (yüzey boyutu 45 x 45 cm'dir). Bu nadir resim, bir bulut odasında tespit edilebilen 4 parçacığı tek bir çekimde gösterir: proton, elektron, müon (muhtemelen) ve alfa

  • İyonlaştırıcı radyasyondan görünür izleri olan bulut odası (kısa, kalın: α-parçacıkları; uzun, ince: β-parçacıkları). Ayrıca bkz. Animasyonlu Sürüm

  • Eylem halindeki bir Bulut odasının videosu

  • Su soğutmalı termoelektrik bulut odası örneği

  • İyonlaştırıcı radyasyon parçacıkları tarafından oluşturulan bulut izlerine sahip bulut odası ( Radon enjeksiyonundan sonra çekilen görüntü )

  • Bir bulut odasındaki bir Radyum kaynağından gelen alfa parçacıkları

  • Bir bulut odasında Radon-220 bozunması

  • Bir bulut odasındaki bir toryum çubuğundan alfa parçacıkları ve elektronlar (bir manyetik alan tarafından saptırılır)

  • Bir bulut odasında görülen bir Torit mineralinin radyoaktivitesi

  • 4.6kV İyon Yıkayıcılı Difüzyon Bulut Odası

  • Homebrewed TEC / Su Soğutmalı (5 Aşamalı) Difüzyon Bulut Odası

Dış bağlantılar