Mlžná komora

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. srpna 2021; kontroly vyžadují 17 úprav .

Wilsonova komora ( kondenzační komora , mlhová komora ) je detektor stop rychle nabitých částic, který využívá schopnosti iontů působit jako jádra kapiček vody v podchlazené přesycené páře .

K vytvoření podchlazené páry se využívá rychlé adiabatické expanze doprovázené prudkým poklesem teploty.

Rychle nabitá částice, pohybující se oblakem přesycené páry, ji ionizuje. Proces kondenzace par probíhá rychleji v místech, kde se tvoří ionty. Výsledkem je, že tam, kde nabitá částice proletěla, se vytvoří stopa kapiček vody, kterou lze vyfotografovat. Právě kvůli tomuto typu stop dostal fotoaparát svůj anglický název - cloud Chamber . 

Oblačné komory jsou obvykle umístěny v magnetickém poli, ve kterém jsou trajektorie nabitých částic zakřivené. Určení poloměru zakřivení trajektorie umožňuje určit specifický elektrický náboj částice a následně jej identifikovat.

Fotoaparát vynalezl v roce 1912 skotský fyzik Charles Wilson . Za vynález fotoaparátu získal Wilson v roce 1927 Nobelovu cenu za fyziku . V roce 1948 obdržel Patrick Blackett Nobelovu cenu za vylepšení oblačné komory a výzkum s ní prováděný .

Historie

Již v poslední čtvrtině 19. století práce Couliera, Kisslinga a Aitkena ukázaly, že prach hraje důležitou roli při tvorbě mlhy . Při pokusu o znovuvytvoření tohoto přírodního jevu v laboratoři výzkumníci zjistili, že mlha se v čištěném vzduchu netvoří [1] . Bylo také zjištěno, že kapičky se tvoří přesně kolem prachových částic a mají rozměry řádově jejich velikosti. Toto bylo řešení problému, kterého si všiml lord Kelvin , podle kterého, když kapka vody roste, musí projít fází, ve které má rozměry srovnatelné s velikostí molekul, ale kapka takových rozměrů se tak rychle odpaří. že to zmizí.

V roce 1897 Wilson ukázal, že i v bezprašném vzduchu se mlha tvoří při expanzi větší než 1,37 krát. V tomto případě se při expanzi z 1,25 na 1,37 krát tvoří pouze jednotlivé kapky. V roce 1899 také objevil, že pokud se do rentgenky umístí určité množství uranu , začne se mlha tvořit již při expanzi 1,25 [1] . Joseph Thomson ukázal, že ionty se v těchto případech stávají centry kondenzace .

Wilson také zjistil, že voda s větší pravděpodobností kondenzuje na záporně nabitých iontech. Thomas Lebe zkoumal páry dalších látek a zjistil, že všechny jím testované látky (kyselina octová, chloroform, ethylalkohol, chlorbenzen a další) mají opačnou tendenci – kladné ionty způsobují kondenzaci rychleji než záporné [1] .

První detektor nabitých částic, který vytvořil Wilson v roce 1912, vypadal jako skleněný válec o průměru 16,5 cm a výšce 3,5 cm.Uvnitř komory byla nádoba, ve které byl dřevěný kroužek ponořený do vody. V důsledku odpařování z povrchu prstence byla komora nasycena párou. Komora byla spojena trubicí s ventilem s baňkou, ze které byl odsáván vzduch. Při otočení ventilu poklesl tlak, vzduch se ochladil a pára se nasytila , díky čemuž za sebou nabité částice zanechávaly proužky mlhy [2] . Současně byla zapnuta kamera a světla.

Hlavní nevýhodou fotoaparátu byla dlouhá doba jeho přípravy na práci. Aby tento nedostatek překonal, vytvořil Takeo Shimizu [3] v roce 1921 alternativní verzi fotoaparátu, která byla vybavena pístem. Pohyboval se nepřetržitě, stlačoval a rozpínal vzduch, takže bylo možné každých pár sekund pořídit fotografii. Model Shimizu však nemohl vždy poskytnout dobrou kvalitu obrazu, protože vzduch v něm expandoval příliš pomalu [1] .

V roce 1927 Pyotr Kapitsa a Dmitrij Skobeltsin navrhli umístit kameru do silného magnetického pole . Díky tomu bylo snadné oddělit stopy kladně a záporně nabitých částic na snímcích a také určit jejich poměr hmoty k náboji [4] .

V roce 1927, ve snaze spojit nejlepší aspekty každého modelu, Patrick Blackett upravil komoru Shimizu přidáním pružiny, která poskytla ostré rozšíření. V roce 1929 jeho vylepšený model fotoaparátu pořídil více než 1200 snímků denně, z nichž každý ukazoval desítky stop alfa částic. Byl to Blackett, kdo jako první pořídil fotografie štěpení jader dusíku částicemi alfa.

V roce 1930 provedli L. V. Mysovsky a R. A. Eichelberger experimenty s rubidiem a emise β-částic byla zaznamenána v mlžné komoře . Později byla objevena přirozená radioaktivita izotopu 87Rb [ 5 ] . V roce 1932  KD Anderson objevil pozitron v kosmickém záření.

V roce 1933 Wilson navrhl jinou konstrukci komory, která místo pístu používala pryžovou membránu [1] .

Ve stejném roce Blackett a Giuseppe Occhialini vyvinuli verzi komory, která se rozšířila pouze tehdy, když byly vypáleny dva žetony, jeden nad ním a druhý pod ním. Tato změna umožnila výrazně zvýšit účinnost kamery v případě, že musí zachytit vzácné události, jako je kosmické záření . Blackett a Occhialini uvádějí, že 80 % takto získaných fotografií obsahovalo stopy kosmického záření [1] .

V roce 1934 prováděli L. V. Myšovský s M. S. Eigensonem experimenty, při kterých byla pomocí oblačné komory prokázána údajná přítomnost neutronů ve složení kosmického záření [5] . (Poznámka: Životnost volných neutronů (asi 17 minut) jim neumožňuje být součástí kosmického záření; mohou vznikat pouze při jaderných reakcích s kosmickým zářením.)

V roce 1952 vynalezl bublinovou komoru Donald Glaser , po čemž její význam upadl. Bublinová komora umožnila přesněji a častěji zaznamenávat události, a proto se stala hlavním nástrojem nového výzkumu.

Budova

Mlžná komora se obvykle skládá z válce obsahujícího vzduch nasycený párou a pístu, který se může v tomto válci pohybovat. Když je píst spuštěn, vzduch se prudce ochladí a komora se stává vhodnou pro práci. V jiné, modernější verzi byla místo pístu použita pryžová membrána [1] . Komora má v tomto případě perforované dno, pod kterým je membrána, do které je pod tlakem čerpán vzduch. Poté pro zahájení práce stačí vypustit vzduch z membrány do atmosféry nebo speciální nádoby. Takové komory jsou levnější, snáze se používají a během provozu se méně zahřívají.

U nízkoenergetických částic je tlak vzduchu v komoře snížen pod atmosférický tlak, pro fixaci vysokoenergetických částic je naopak vzduch do komory čerpán pod tlakem desítek atmosfér. Komora je naplněna vodní párou a ethylalkoholem a kondenzační jádra jsou odstraněna , aby se zabránilo předčasné kondenzaci, což má za následek přesycenou páru , připravenou tvořit na ní stopy. Taková směs se používá kvůli tomu, že vodní pára lépe kondenzuje na záporných iontech a pára etanolu na kladných iontech [2] .

Doba aktivní činnosti komory trvá od setin sekundy do několika sekund, od expanze vzduchu až do naplnění komory mlhou, poté se komora vyčistí a může být znovu spuštěna. Celý cyklus použití obvykle trvá asi minutu [2] . Zdroj záření může být umístěn uvnitř komory nebo mimo ni. V tomto případě částice vstupují do komory přes průhledné síto.

Použití

Význam oblačné komory pro fyziku elementárních částic lze jen stěží přeceňovat – po desetiletí to byl jediný účinný způsob přímého pozorování stop elementárních částic. S jeho pomocí byly objeveny pozitron a mion a byly studovány i jaderné reakce částic alfa s atomy dusíku [6] . Po vynálezu bublinové a jiskrové komory začal význam oblačné komory upadat, avšak vzhledem k její výrazně nižší ceně ve srovnání s pokročilejšími detektory se v některých průmyslových odvětvích stále používá.

Specifická ionizace

Specifická ionizace je počet párů iontů vytvořených částicí při průletu látkou na jednotku vzdálenosti. V tomto případě mohou mít elektrony vyřazené z atomů dostatečnou energii k ionizaci jiných atomů. Tento jev se nazývá sekundární ionizace. V oblačné komoře budou takové elektrony vypadat jako odbočka z hlavní trajektorie částice nebo prostě jako shluky páry (pokud energie elektronů není příliš vysoká). Zatímco specifickou ionizaci lze vypočítat mnoha způsoby (např. pomocí Geigerova počítače), nejjednoduší metodou pro oddělení primární a sekundární ionizace je mlžná komora [1] .

Najeto

Délka dráhy částice v látce je důležitým ukazatelem a musí být známa pro radiační ochranu. Cloud Chamber umožňuje měřit jak průměrný běh, tak rozložení běhů [1] . Pomocí těchto údajů je možné přesně určit jak energii částice, tak tloušťku ochranné vrstvy, která tento typ záření blokuje.

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WILSONOVÁ KOMORA A JEJÍ APLIKACE VE FYZICE Archivováno 11. srpna 2017 na Wayback Machine  (ruština)
  2. ↑ 1 2 3 Cloud Chamber Archivováno 27. ledna 2021 na Wayback Machine  (ruština)
  3. ↑ Mlžná komora a její proměny Archivováno 1. května 2021 na Wayback Machine 
  4. ↑ Cloud Chamber Archivováno 2. července 2013 na Wayback Machine  (ruština)
  5. ↑ 1 2 Meshcheryakov M. G. , Perfilov N. A. Na památku Lva Vladimiroviče Mysovského (u příležitosti jeho sedmdesátých narozenin)  // Vydání UFN: Sbírka UFN. - M. , 1963. - Vydání. listopadu .
  6. ↑ Základy jaderné fyziky. Nukleární technologie archivovány 1. května 2021 na Wayback Machine  (ruština)

Literatura

Externí odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích