Komora mgłowa Wilsona

Wreszcie odwiedziliśmy Centrum Nauki Kopernik, choć instytucja funkcjonuje od listopada 2005 r. Zawsze jednak coś stało na przeszkodzie, poza tym trochę odstręczało ukierunkowanie Centrum głównie na najmłodszych odwiedzających. Tymczasem jednak z okazji moich urodzin wybraliśmy się z Żoną i spędziliśmy tam pół dnia, testując większość eksponatów. Moje największe zainteresowanie wzbudziła komora mgłowa, zwana też komorą Wilsona, umożliwiająca śledzenie trajektorii cząstek elementarnych. Była to komora dyfuzyjna, stanowiąca rozwinięcie pierwowzoru, znanego jako komora rozprężeniowa. Zasada działania obu komór jest taka sama - cząstka elementarna przelatując przez objętość komory wypełnioną przechłodzoną parą alkoholu wywołuje jej skraplanie się wzdłuż toru lotu cząstki. Stan przechłodzenia oznacza, że mimo uzyskania niższej temperatury niż temperatura skraplania danej cieczy ciecz nie skrapla się, gdyż brakuje ośrodków, na których ten proces mógłby się rozpocząć. Na tej samej zasadzie działa roztwór przesycony i ciecz przegrzana. W komorze rozprężeniowej stan przesycenia uzyskuje się przez szybkie zwiększenie objętości komory, co powoduje schładzanie się gazu i tym samym jego przechłodzenie. Tak działała pierwsza komora opracowana przez Charlesa Wilsona w 1900 r. Co ciekawe, Wilson skonstruował komorę, aby generować zjawiska świetlne w chmurach, które zafascynowały go podczas wakacji w obserwatorium astronomicznym w Szkocji. Wkrótce okazało się, że działanie lampy rentgenowskiej ułatwia tworzenie się chmur w komorze i obserwacja promieniowania zastąpiła pierwotny zamiar Wilsona.

źródło - Wikimedia Commons

Z kolei w komorze dyfuzyjnej stan przechłodzenia uzyskiwany jest dzięki dużej różnicy temperatur między górną i dolną częścią komory. Dolną część chłodzi suchy lód lub ogniwo Peltiera, górna nagrzewa się od otoczenia, co daje dużą różnicę temperatur. W górnej części jest naczynie z parującą cieczą, której opary dyfundują po całej objętości naczynia, tworząc na dole warstwę pary przechłodzonej. Aby w objętości komory nie było żadnych pyłków ani jonów, mogących stanowić ośrodki kondensacji, do boków komory przyłożone jest pole elektryczne, które powoduje przyciąganie wszystkich zawiesin do ścian komory i neutralizację jonów. Poniżej schemat komory bez osprzętu zapewniającego pole elektryczne:

https://www.sciencefriday.com/educational-resources/build-a-cloud-chamber/

Jeżeli do komory mgłowej wpadnie cząstka elementarna, wzdłuż jej toru poruszania się pojawi się ślad z mgły skroplonego alkoholu. Po kształcie śladu można rozpoznać rodzaj cząstki, która stworzyła dany ślad. Najbardziej efektowne ślady pozostawiają cząstki alfa, pochodzące głównie z rozpadu radonu-222 zawartego w atmosferze. Kształt tych trajektorii przypomina krótkie, grube robaki. Tory lotu elektronów są cienkie i pozakrzywiane. Protony zostawiają długi, prosty ślad. Niektóre cząstki przelatują przez komorę na wskroś, widzimy więc przekrój poprzeczny toru lotu. Poniżej przykładowe tory lotu ukazane na planszy w Centrum, niestety oświetlenie nie pozwoliło na lepsze zdjęcie:

Inną rozpiskę rodzajów cząstek można obejrzeć na Wikimedia Commons [źródło]. Widzimy tor protonu z towarzyszącymi mu elektronami delta, wybijanymi z atomów ośrodka, przez który przechodzi cząstka o odpowiednio dużej energii.

Komora mgłowa w sposób najbardziej obrazowy ukazuje nam, jak wiele cząstek elementarnych znajduje się w naszym otoczeniu w każdym miejscu i o każdej porze. Jest to znacznie bardziej przekonujące niż dźwięki wydawane przez dozymetr - w komorze mgłowej prawie dosłownie "widzimy" promieniowanie, a zróżnicowany rodzaj i nieprzewidywalne pojawianie się śladów dowodzą statystycznego charakteru promieniowania i mnogości cząstek, które bombardują nas z ziemi, powietrza i kosmosu, nie czyniąc żadnej szkody. Komora wykrywa też cząstki, które trudno zarejestrować typowym sprzętem dozymetrycznym wykorzystującym licznik Geigera czy detektor scyntylacyjny. W czasie wizyty nagrałem krótki filmik, inne można obejrzeć w internecie:

Komorę mgłową można wykonać we własnym zakresie, choć z racji ograniczenia jej wymiarów trudniej zaobserwować w niej cząstki pochodzące od promieniowania kosmicznego czy rozpadów radonu. Jednak emiter alfa (Am-241, Ra-226, Th-232) ukaże wyraźne ślady, podobnie jak emiter beta:

https://www.youtube.com/watch?v=noP7HT-Uins

W książce "Domowe laboratorium naukowe" znajduje się opis komory wykorzystującej suchy lód i pole elektryczne. Niestety suchy lód nastręcza problemy eksploatacyjne, gdyż będąc zestalonym dwutlenkiem węgla łatwo sublimuje w temperaturze pokojowej i zmniejsza swoją objętość. Sublimację nieco powstrzymują opakowania termoizolacyjne, jednak utrata masy, w przypadku granulatu, wynosi nawet 25% w ciągu pierwszej doby. Koszt 5 kg suchego lodu oscyluje wokół 50 zł, najmniejsza ilość jaką można kupić to 4 kg za 40 zł. Oczywiście suchym lodem nie są kompresy chłodzące, sprzedawane pod tą mylną nazwą.

Jeżeli komora ma być jednorazowym eksperymentem, można kupić suchy lód, natomiast do częstej eksploatacji lepiej zbudować komorę na ogniwie Peltiera lub z innym wydajnym systemem chłodzącym dno komory. Podaję sposób podany w podręczniku, gdyż jest on dość prosty do wykonania w domowych warunkach. Baterię 240 V można zastąpić prostownikiem podłączonym do sieci 230 V przez transformator odcinający. Nie zalecam oczywiście zeskrobywania farby świecącej ze starych zegarków, kompasów itp. z uwagi na możliwość skażenia! Bezpieczniej użyć siatki Auera ze starej produkcji.

Cyt. za: Windell Oskay, Raymond Barrett,  Zrób to sam - Domowe laboratorium naukowe, Gliwice 20176, s. 137-140.

Oczywiście nie jest to jedyny sposób na skonstruowanie komory mgłowej, natomiast różnice sprowadzają się do detali wykonania, a zasada działania pozostaje ta sama. Poniżej inny projekt wraz ze szczegółowym opisem:

http://nuclearconnect.org/in-the-classroom/for-teachers/cloud_chamber

Jeśli próbowaliście zrobić własną komorę Wilsona lub macie jakieś ulepszenia powyższych projektów, dajcie znać w komentarzach.