Chambre Wilson.

La chambre de Wilson (Fig. 38.1) a été inventée par le physicien écossais Charles Wilson en 1910-1912. et fut l'un des premiers instruments permettant d'enregistrer des particules chargées. Le fonctionnement de la caméra est basé sur la propriété de condensation des gouttelettes d'eau sur les ions formés le long de la trace (trace) de la particule. L'avènement de la chambre à brouillard a non seulement permis de voir les traces des particules, mais a également permis de « reconnaître » ces particules (charge, énergie), et a également fourni de nombreux nouveaux matériaux, qui ont servi de base à quelques découvertes importantes.

Graphique 38.1.

Le principe de fonctionnement d’une chambre à brouillard est assez simple. On sait que si la pression partielle de la vapeur d'eau dépasse sa pression de saturation à une température donnée, du brouillard et de la rosée peuvent se former. Indicateur de sursaturation S est le rapport entre la pression partielle et la pression de saturation à une température donnée. Pour la condensation spontanée de la vapeur dans l'air pur, des taux de sursaturation élevés sont nécessaires ( S~ 10), mais s'il y a des particules étrangères dans l'air qui peuvent servir de centres de condensation, alors la formation de microgouttelettes peut commencer à des valeurs inférieures S.

Les particules produites lors de la désintégration radioactive ont suffisamment d'énergie pour ioniser un grand nombre de molécules de gaz qui composent le milieu. Les ions formés lors du passage des particules attirent efficacement les molécules d'eau en raison de l'asymétrie de la répartition des charges dans ces molécules. Ainsi, une particule libérée lors de la désintégration radioactive, volant à travers un milieu sursaturé, devrait laisser derrière elle une traînée de gouttelettes d'eau. Il peut être vu et photographié sur une plaque photographique dans une chambre à nuages.

Une chambre à brouillard est un cylindre rempli d'alcool et de vapeur d'eau. La chambre a un piston, lorsqu'elle s'abaisse rapidement en raison de la dilatation adiabatique, la température baisse et les vapeurs acquièrent la capacité de se condenser facilement (indice de sursaturation 1< S< 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа-частицы.

En 1912, un scientifique écossais nommé Charles Wilson a inventé l’instrument nécessaire pour enregistrer indépendamment les traces de particules chargées. L'invention de l'appareil photo a permis à Wilson de recevoir en 1927 la plus haute distinction dans le domaine de la physique, le prix Nobel.

Structure de l'appareil

Caméra antibrouillard, ou autrement appelée chambre à brouillard, est considérée comme un petit récipient avec un couvercle en matériau tel que du verre ; tout en bas de la chambre se trouve un piston.

L'appareil est rempli à cause de consommation de vapeur saturée de l'éther, de l'alcool ou de l'eau ordinaire, ils sont d'abord nettoyés de la poussière et mis dedans : ceci est nécessaire pour que les particules, en volant, ne soient pas retenues par les centres de condensation situés dans les molécules d'eau.

Après avoir rempli la chambre de vapeur, le piston est abaissé, puis, en raison de l'apparition d'une expansion adiabatique, un refroidissement rapide de la vapeur se produit, qui devient sursaturée. Les particules chargées, traversant toute la capacité de la chambre, laissent derrière elles une traînée de chaînes ioniques. La vapeur, à son tour, se condense sur les ions, laissant des traces de particules.

Principe de fonctionnement de l'appareil

En raison du fait que dans l'espace étudié se produit périodiquement sursaturation avec des vapeurs de divers centres de condensation(ions accompagnant la traînée d'une particule en mouvement rapide), de petites gouttes de liquide apparaissent dessus. Le volume de ces gouttes augmente avec le temps, et en même temps il devient possible de les enregistrer ; cela se fait en les photographiant.

La source du matériau étudié se trouve soit à l’intérieur de la chambre, soit directement à l’extérieur de celle-ci. Dans le cas où il est situé à l'extérieur de la chambre, des particules peuvent voler dans la petite fenêtre transparente située dessus. La sensibilité de l'appareil par rapport à l'intervalle de temps peut varier de 0,01 fraction de seconde à 2 à 3 secondes, ce temps est nécessaire pour la sursaturation souhaitée de la condensation ionique.

Suivi immédiatement nettoyer le volume de travail de la chambre, ceci est fait pour restaurer sa sensibilité. La chambre Wilson fonctionne uniquement en mode cyclique. Un cycle complet équivaut approximativement à une minute.

Déplacer la chambre à brouillard dans un champ magnétique peut augmenter plusieurs fois ses capacités personnelles. Cela est dû au fait qu’un tel milieu est capable de plier la trajectoire de vol des particules chargées, ce qui détermine leur élan ainsi que le signe de la charge.

Les applications les plus connues de l'appareil

En utilisant une chambre à nuages ​​en 1932, un physicien expérimental américain nommé Carl David Anderson a pu déterminer la teneur en positrons des rayons cosmiques.

Les premiers à avoir eu l'idée de placer une chambre à brouillard dans la région du champ magnétique le plus puissant furent les physiciens soviétiques D.V. Skobeltsin et P.L. Kapitsa, ce qu'ils firent avec beaucoup de succès en 1927, 15 ans après la création de l'appareil célèbre. Les chercheurs soviétiques ont déterminé, outre les impulsions, les signes de charges et les caractéristiques quantitatives des particules telles que la masse et la vitesse, ce qui est devenu une avancée sensationnelle dans la physique soviétique à l'échelle mondiale.

Conversion d'appareil

En 1948, une percée a eu lieu dans le domaine de la physique amélioration de la caméra Wilson, l'auteur d'un développement similaire était le physicien anglais Patrick Blackett, qui a reçu le prix Nobel pour son invention. Un scientifique a créé une version contrôlée d'une chambre à brouillard. Il a installé des compteurs spéciaux dans l'appareil qui sont enregistrés par la caméra elle-même ; ils « lancent » eux-mêmes la caméra pour observer des actions de ce type.

La nouvelle chambre Wilson améliorée, fonctionnant selon un mode similaire, devient plus active et son efficacité augmente sensiblement.

La contrôlabilité de la chambre à brouillard, créée par Blackett, contribue à assurer une vitesse élevée dans la zone d'expansion du milieu gazeux, ce qui permet à la caméra de surveiller le signal des compteurs externes et d'y répondre davantage. .

Wilson a vécu pour voir la transformation de son idée, il a qualifié l'expérience de réussie et a reconnu l'importance d'utiliser la version de l'appareil présentée par Patrick Blackett.

Valeur de l'appareil

La chambre Wilson est devenue un dispositif unique dans la première moitié du XXe siècle, augmentant le prestige de la physique dans le monde scientifique. Il a permis aux physiciens de retrouver des traces de particules chargées et de présenter cette découverte au public.

avantages

• La chambre à brouillard a été le premier instrument au monde capable de retracer les traces de particules chargées.
• Cet appareil est utilisé avec succès dans un champ magnétique.
• La chambre à brouillard a joué un rôle important dans l'étude de la structure d'un grand nombre de substances (rubidium, etc.).
• Grâce à une chambre à brouillard, les physiciens ont pu étudier le rayonnement nucléaire et les rayons cosmiques.

Inconvénients

• Compte tenu de l'augmentation de la pression dans la chambre, le temps nécessaire pour mesurer l'insensibilité de l'appareil augmente également : les physiciens appellent cela un temps mort.
• Le fonctionnement d'une chambre à brouillard nécessite une pression de 0,1 à 2 atmosphères ; si une pression plus élevée apparaît, alors le fonctionnement de l'appareil devient difficile, ce qui est directement lié à la buée du verre de la chambre ; celui-ci doit être constamment nettoyé.
• La caméra ne permet pas une automatisation complète des données.

M. Novikova

De minuscules particules insaisissables émises par des éléments radioactifs ! Leur masse est insignifiante ; avec quelle balance les peser ! Leur vitesse est colossale - jusqu'à 10 000 km par seconde - est-il possible de suivre leur vol ! Et pourtant c’était chose faite : les microparticules étaient pesées, mesurées, « vues ». À l'aide d'un appareil facile à fabriquer - la chambre dite de Wilson - tout le monde peut les « voir ».

La structure de cet appareil est représentée sur la figure.

Les parois de la chambre, larges de 150 mm et hautes de 80 mm, sont en verre ou en plexiglas d'une épaisseur de 4 à 6 mm. Pour garder la chambre hermétique, les murs

doit être bien collé et meulé jusqu'au fond (2) et au couvercle (3). Il est conseillé de placer des joints en caoutchouc d'une épaisseur de 1 à 2 mm (4) entre les parois et le fond et entre les parois et le couvercle. Le fond de la chambre est une plaque plate de cuivre, de laiton ou de duralumin mesurant 190 x 190 mm et 5 à 6 mm d'épaisseur. Il est vissé avec douze vis sur un support (5) en getinax ou textolite. Le couvercle de la chambre mesure 170 x 170 mm et est constitué du même matériau que le fond. Une fenêtre de 70x70 mm est réalisée au milieu du couvercle, à travers laquelle l'observation est effectuée. Cette fenêtre est fermée par du verre (6) qui, à travers le caoutchouc

La maçonnerie est pressée contre le couvercle avec des vis. À l'aide d'un cadre en textolite (7) et de tiges (8), les parois de la chambre sont pressées vers le fond et contre le couvercle. A l'intérieur de la chambre, une auge (9) en cuivre fin ou en étain est fixée au couvercle. De petits trous doivent être percés dans la paroi et le couvercle de la chambre pour introduire un rayonnement radioactif dans la chambre. Les trous sont fermés par des bouchons « a ».

Comment fonctionne la caméra ?

Il est connu en physique que la pression de vapeur saturée d’un liquide diminue avec la diminution de la température. Si la température des vapeurs saturées diminue, elles entreront dans un état sursaturé. Lorsqu'il y a de petites particules de poussière dans la vapeur sursaturée, la vapeur se condense dessus et des gouttelettes de taille visible se développent sur les particules de poussière. Avec une sursaturation importante de la vapeur, les centres de condensation peuvent être non seulement des « particules » aussi grosses que des grains de poussière, mais même des ions de gaz, et chaque particule o ionise jusqu'à 100 000 atomes sur son passage. La trace de la particule devient visible - elle est marquée par un filet de brouillard apparaissant instantanément.

Le fluide de travail dans cette chambre peut être de l'alcool méthylique ou éthylique (l'alcool méthylique est uniquement destiné à une chambre en verre : le plexiglas ne convient pas). La sursaturation est obtenue grâce à la diffusion continue de vapeur dans le sens vertical du couvercle chauffé vers le fond refroidi. Pour obtenir des traces de particules de bonne qualité, le fond de la chambre doit être refroidi à -50^-80°C et le couvercle doit être à température ambiante normale.

Le fond de la chambre est refroidi avec du dioxyde de carbone solide (« glace carbonique »), qui est chargé en quantité de 2 à 3 kg dans une caisse en bois (10). Le dioxyde de carbone solide est pressé vers le bas par des ressorts (11). k -g- 3 kg de « glace carbonique » suffisent pour environ deux heures de travail.

Pour démarrer la chambre, les ressorts sont comprimés et fixés par des tiges (12). Des morceaux de dioxyde de carbone solide sont versés dans la boîte. Le fond est ensuite placé dans la cage et vissé au caisson à l'aide de quatre tiges courtes (13) et d'écrous (14) aux coins. Du velours et un joint sont placés sur le fond et les murs sont placés, et un couvercle est placé sur les murs. L'ensemble de ce système est maintenu ensemble par un cadre et quatre longues tiges. L'alcool est versé dans la chambre par le trou d'observation du couvercle de sorte qu'au fond se trouve une couche de 2 à 3 mm de hauteur. Lors du versement, vous devez vous assurer que la chambre est horizontale et que le niveau d'alcool au fond est le même partout. Dans l'auge (9), l'alcool est versé par le trou « a » du couvercle de la chambre (3).

Les tiges de fixation sont simultanément retirées et la « glace » est pressée vers le bas par des ressorts. Après cela, après environ 20 minutes. des traces de particules peuvent être observées près du fond de la chambre. La hauteur de la couche dans laquelle des traces de particules sont visibles (couche sensible) dans cette enceinte est d'environ 20 mm. La couche sensible est éclairée sur le côté. A cet effet, un illuminateur doté d'une lampe à incandescence d'une puissance de 100 ~ 300 W et produisant un faisceau lumineux plus ou moins parallèle (épidiascope par exemple) peut être utilisé.

Les parois latérales de la chambre gèlent pendant le fonctionnement. Par conséquent, la paroi de la chambre à travers laquelle l'éclairage est produit doit être essuyée de temps en temps avec un chiffon imbibé d'alcool. Avant d'assembler la chambre, les surfaces internes des parois, du fond et du couvercle, ainsi que l'auge, doivent être lavées avec de l'alcool. L'observation doit être effectuée dans une pièce sombre.

En tant que source un - les particules peuvent être utilisées sur une montre à cadran lumineux, que l'on rapproche de la caméra. Vous pouvez appliquer une substance radioactive sur la pointe du fil et l'introduire dans la couche sensible. Cependant, la source de particules ne doit pas rester longtemps dans la couche sensible, car les vapeurs d'alcool s'y condensent et l'émission de particules s'arrête.

Il n’est pas nécessaire que la conception de la caméra soit rectangulaire. Si vous trouvez un bocal en verre rond d’un diamètre approprié, vous pouvez également l’utiliser.

Le principe de fonctionnement des appareils d'enregistrement de particules élémentaires. Tout appareil qui détecte des particules élémentaires ou des noyaux atomiques en mouvement est comme un pistolet chargé avec le marteau armé. Une petite force lorsque vous appuyez sur la gâchette d'un pistolet provoque un effet qui n'est pas comparable à l'effort déployé - un tir.

Un appareil d'enregistrement est un système macroscopique plus ou moins complexe qui peut être dans un état instable. Avec une petite perturbation provoquée par le passage d'une particule, le processus de transition du système vers un nouvel état plus stable commence. Ce procédé permet d'enregistrer une particule. Il existe actuellement de nombreuses méthodes de détection de particules différentes.

Selon les finalités de l'expérimentation et les conditions dans lesquelles elle est réalisée, certains appareils d'enregistrement sont utilisés, différant les uns des autres par leurs principales caractéristiques.

Compteur Geiger à décharge gazeuse. Le compteur Geiger est l'un des appareils les plus importants pour le comptage automatique de particules.

Le compteur (Fig. 13.1) est constitué d'un tube de verre recouvert à l'intérieur d'une couche métallique (cathode) et d'un mince fil métallique courant le long de l'axe du tube (anode). Le tube est rempli de gaz, généralement de l'argon. Le compteur fonctionne sur la base d'une ionisation par impact. Une particule chargée (électron, particule, etc.), volant à travers un gaz, enlève les électrons des atomes et crée des ions positifs et des électrons libres. Le champ électrique entre l'anode et la cathode (une haute tension leur est appliquée) accélère les électrons jusqu'aux énergies auxquelles l'ionisation par impact commence. Une avalanche d'ions se produit et le courant traversant le compteur augmente fortement. Dans ce cas, une impulsion de tension est générée aux bornes de la résistance de charge R, qui alimente le dispositif d'enregistrement.

Pour que le compteur enregistre la prochaine particule qui le frappe, la décharge d'avalanche doit être éteinte. Cela se produit automatiquement. Puisqu'au moment où l'impulsion de courant apparaît, la chute de tension aux bornes de la résistance de charge R est importante, la tension entre l'anode et la cathode diminue fortement - à tel point que la décharge s'arrête.

Le compteur Geiger est principalement utilisé pour enregistrer les électrons et les -quanta (photons à haute énergie).

Actuellement, des compteurs ont été créés qui fonctionnent selon les mêmes principes.

Chambre Wilson. Les compteurs permettent uniquement d'enregistrer le fait qu'une particule les traverse et d'enregistrer certaines de ses caractéristiques. Dans une chambre à brouillard créée en 1912, une particule chargée rapidement laisse une trace observable directement ou photographiée. Cet appareil peut être appelé une fenêtre sur le micromonde, c'est-à-dire le monde des particules élémentaires et des systèmes qui les composent.

Le principe de fonctionnement d'une chambre à brouillard repose sur la condensation de vapeur sursaturée sur des ions pour former des gouttelettes d'eau. Ces ions sont créés le long de sa trajectoire par une particule chargée en mouvement.

Une chambre à brouillard est un récipient hermétiquement fermé rempli de vapeur d'eau ou d'alcool proche de la saturation (Fig. 13.2). Lorsque le piston est fortement abaissé, provoqué par une diminution de la pression en dessous, la vapeur dans la chambre se dilate de manière adiabatique. En conséquence, un refroidissement se produit et la vapeur devient sursaturée. Il s'agit d'un état instable de la vapeur : elle se condense facilement si des centres de condensation apparaissent dans la cuve. Centres

la condensation devient des ions qui sont formés dans l'espace de travail de la chambre par une particule volante. Si une particule pénètre dans la chambre immédiatement après la dilatation de la vapeur, des gouttelettes d'eau apparaissent sur son passage. Ces gouttelettes forment une trace visible de la particule volante - une trace (Fig. 13.3). La chambre revient alors à son état d'origine et les ions sont éliminés par un champ électrique. Selon la taille de la caméra, le temps de rétablissement du mode de fonctionnement varie de quelques secondes à plusieurs dizaines de minutes.

Les informations fournies par les suivis dans une chambre à brouillard sont beaucoup plus riches que celles que peuvent fournir les compteurs. A partir de la longueur de la trace, vous pouvez déterminer l'énergie de la particule, et à partir du nombre de gouttelettes par unité de longueur de la trace, sa vitesse. Plus la trajectoire de la particule est longue, plus son énergie est grande. Et plus il y a de gouttelettes d'eau formées par unité de longueur de la piste, plus sa vitesse est faible. Les particules avec une charge plus élevée laissent une trace plus épaisse. Les physiciens soviétiques P. L. Kapitsa et D. V. Skobeltsyn ont proposé de placer une chambre à brouillard dans un champ magnétique uniforme.

Un champ magnétique agit sur une particule chargée en mouvement avec une certaine force (force de Lorentz). Cette force courbe la trajectoire de la particule sans modifier le module de sa vitesse. Plus la charge de la particule est grande et plus sa masse est faible, plus la courbure de la piste est grande. À partir de la courbure de la trace, on peut déterminer le rapport entre la charge de la particule et sa masse. Si l’une de ces quantités est connue, alors l’autre peut être calculée. Par exemple, à partir de la charge d’une particule et de la courbure de sa trajectoire, on peut déterminer la masse de la particule.

Chambre à bulles. En 1952, le scientifique américain D. Glaser proposa d'utiliser un liquide surchauffé pour détecter les traces de particules. Dans un tel liquide, des bulles de vapeur apparaissent sur les ions (centres de vaporisation) formés lors du mouvement d'une particule chargée rapidement, donnant une trace visible. Les chambres de ce type étaient appelées chambres à bulles.

Dans l'état initial, le liquide dans la chambre est sous haute pression, ce qui l'empêche de bouillir, malgré le fait que la température du liquide est légèrement supérieure au point d'ébullition à pression atmosphérique. Avec une forte diminution de la pression, le liquide surchauffe et sera pendant une courte période dans un état instable. Les particules chargées volant à ce moment précis provoquent l'apparition de traces constituées de bulles de vapeur (Fig. 1.4.4). Et les liquides utilisés sont principalement de l’hydrogène liquide et du propane. Le cycle de fonctionnement de la chambre à bulles est court - environ 0,1 s.

L'avantage de la chambre à bulles par rapport à la chambre Wilson est dû à la densité plus élevée de la substance de travail. En conséquence, les trajets des particules s'avèrent assez courts et des particules, même de hautes énergies, restent coincées dans la chambre. Cela permet d'observer une série de transformations successives d'une particule et les réactions qu'elle provoque.

Les traces des chambres à nuages ​​et des chambres à bulles constituent l’une des principales sources d’informations sur le comportement et les propriétés des particules.

L'observation de traces de particules élémentaires produit une impression forte et crée une sensation de contact direct avec le microcosme.

COMPTEUR CÉRENKOV détecteur pour enregistrer la charge. ch-ts, dans lesquels le rayonnement Cherenkov-Vavilov est utilisé. Lors du déplacement, chargez. particules dans un milieu avec une vitesse v supérieure à la vitesse de phase de la lumière c/n dans un milieu donné (n est l'indice de réfraction du milieu), la particule émet dans une direction faisant un angle q avec sa trajectoire. L'angle q est lié à la vitesse v et à l'indice de réfraction du milieu par la relation : cosq=c/vn=1/bn, b=v/c. (1) Intensité W du rayonnement Tchérenkov pour 1 cm de trajet de charge. h-tsy dans la gamme de longueurs d'onde de l1 à l2 est exprimé par la relation :

Informations connexes.

om en 1912. L'action de V.K. repose sur le phénomène de condensation de la vapeur sursaturée, c'est-à-dire sur la formation de petites gouttelettes de liquide sur tout centre de condensation, par exemple sur les ions formés le long du trajet d'une particule chargée rapidement. Les gouttelettes atteignent des tailles visibles et peuvent être photographiées. Les particules étudiées peuvent soit être émises par une source placée à l'intérieur de la chambre, soit pénétrer dans la chambre depuis l'extérieur par une fenêtre qui leur est transparente. VK est généralement placé dans un champ magnétique. La nature et les propriétés des particules étudiées peuvent être déterminées par la portée et la quantité de mouvement des particules. L'ampleur de l'impulsion est mesurée par la courbure des traces de particules sous l'influence d'un champ magnétique.

Pour étudier les particules de faible énergie, les chambres sont remplies de gaz à une pression inférieure à la pression atmosphérique ; pour étudier les particules à haute énergie, la chambre est remplie de gaz à des pressions de plusieurs dizaines de au m. Les tailles et les formes des chambres ainsi que les matériaux de leurs murs varient considérablement. Sur riz. 1 Et 2 Des images de processus nucléaires observés à l'aide de V. sont présentées.

VK a joué un rôle important dans l'étude de la structure de la matière. Pendant plusieurs décennies, la méthode VK était pratiquement la seule méthode visuelle d'enregistrement des rayonnements nucléaires. Cependant, ces dernières années, VK a cédé la place aux chambres à bulles (Voir Chambre à bulles) et aux chambres à étincelles (Voir Chambre à étincelles).

Lit. : Principes et méthodes d'enregistrement des particules élémentaires, trans. de l'anglais, M., 1963.

E.M. Leikin.

Riz. 1. Réaction nucléaire 14 N (․α, p) 17 O, enregistrée dans une chambre à nuages. L'image montre des traces de bombardement de particules ․α (lignes dirigées de bas en haut), ainsi que des traces de produits de réaction formant une fourche - un proton et un noyau 17 O.

Grande Encyclopédie soviétique. - M. : Encyclopédie soviétique. 1969-1978 .

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- (salle de caméra, cellule de Lat. tardive) toute pièce fermée ou espace ou dispositif fermé dont une partie importante est une cavité fermée : Chambre caisson, isolée du plan d'eau environnant par des éléments hermétiquement fermés... ... Wikipédia

chambre à nuages- - [A.S. Goldberg. Dictionnaire de l'énergie anglais-russe. 2006] Thèmes énergétiques en général EN Chambre Wilson Chambercloud … Guide du traducteur technique