Cámara de Niebla

Cómo ver la traza de partículas subatómicas y maravillarse del mundo cuántico.

Es posible fabricar una cámara de niebla sin grandes costes (para la satisfacción que produce), y realizar experimentos para encontrar miles de partículas \alpha (nucleos de He con dos protones y dos neutrones, pero desnudos de electrones). También partículas \beta (electrones libres), rayos \gamma (fotones de alta energía) y muones (como electrones pero 200 veces más pesados).

Una cámara de niebla se basa en un recipiente estanco con una mezcla de gases.  Uno de ellos estará sobreenfriado. Esto significa que la menor perturbación provocará que se condense.  Las partículas que se desea detectar ionizan este gas.  Estos iones generados  actúan como núcleos de condensación del gas sobreenfriado, formando una traza de niebla en la mezcla.  Se aprecia algo parecido a la raya de un avión en el cielo, pero en este caso ha sido causado por una partícula subatómica que se mueve por el gas, prestando su energía para la ionización.

En relación con la ionización, que es la pérdida o ganancia de electrones, se puede comentar que en la práctica es muy fácil conseguirla. Simplemente frotando un globo con la manga del jersey ya se puede ver que atrae el pelo por motivo de la electricidad estática producida.

Cómo construir la cámara de niebla.

Se requieren éstos materiales

  • Una pecera de unos 6 litros
  • Una base de porexpan para la pecera
  • Una tapa de aluminio negro para la pecera
  • Un trozo de fieltro, un poco de cinta aislante
  • Un extintor de CO2 de kilo y medio
  • Un botecillo de alcohol isopropílico (en farmacias)

Se pone por el interior de la pecera un ribete de fieltro, se moja bien con el alcohol, se le pone la tapa, se cierra herméticamente la tapa con cinta aislante, y se le da la vuelta. Quedará la base negra en la parte inferior, esto dará el contraste necesario para apreciar las trazas de las partículas.

En este caso se ha construído además una iluminación especial con unos cartones y una tira de led entre ellos. Este montaje emite un bloque de luz horizontal, con lo que se minimizan los reflejos no deseados. Esto permite grabar directamente con un movil apoyado encima de la tapa superior de cristal.

Extintor

Por otra parte se vacía el extintor en una funda de almohada vieja, que capturará el CO2 en forma sólida. Hay que manipular con precaución porque estará casi a -80℃. Se pone el CO2 capturado en la base de porexpán y encima se ubica la pecera que se ha montado antes. El sistema de obtener el CO2 de un extintor tiene la ventaja de que se puede almacenar hasta el día que se vaya a usar.

Al cabo de unos minutos el alcohol irá cayendo en una fina nube, y al llegar a la parte inferior se sobre enfriará. Así se convierte en el caldo de cultivo perfecto para los núcleos de condensación. Iluminando bien por un lado con un foco se puede encontrar un ángulo en el que ver las trazas de las partículas.

Detección de partículas alfa y gamma.

Una forma es conseguir una muestra de Americio 241Am de un detector de humo e introducirlo en la cámara de niebla. Este átomo es demasiado grande para ser estable, y no existe en la naturaleza. Lo fabrica el ser humano en reactores nucleares a partir de plutonio, y luego se le da un uso industrial. Se descompone de forma natural en una partícula \alpha 4He y Neptunio 237Np. Fijarse en que en este caso el número de nucleones totales se mantiene. La partícula \alpha es bastante grande para ser una partícula libre. No avanza más que en un par de centímetros antes de absorber dos electrones, y disolverse en el gas circundante como un átomo de helio normal.

Americio
241Am de un detector de humo.

La partícula \alpha puede excitar la corteza de electrones en algunas ocasiones al atravesarla. Al volver los electrones a su nivel fundamental emiten el exceso de energía en un fotón \gamma característico de 59KeV. Este proceso tiene una probabilidad bastante baja comparando con la emisión \alpha, de modo que podemos esperar ver 50 partículas \alpha por segundo, y a lo mejor un solo \gamma en 10 minutos. Una buena opción es grabar la sesión y mirar luego lo que se ha pescado.

Se han conseguido las imágenes de abajo con el montaje expuesto.

Abajo se muestra un espectacular momento en el que un fotón \gamma recorre 20 cm por el gas desde la muestra. Además se cuela algún muón por la derecha, aparte de los \alpha del Americio 241Am, y todo en la misma secuencia. Merece la pena grabar la sesión para poder ver con una regla que el \gamma se emite desde el centro de la muestra, y también para que no se pierda el momento.

Detección de partículas beta.

Una partícula \beta es un electrón libre. Si es lento se identifica enseguida porque pesa muy poco y va rebotando al azar contra las moléculas del gas que son miles de veces más pesadas que él, tal que la trayectoria es parecida a la del movimiento browniano. Aquí van algunos ejemplos capturados en esta cámara de niebla, la traza es muy tenue y dura poco, por eso se ha preferido publicar fotografías.

Detección de muones.

Que es un muón

Según el modelo estándar de partículas, que es el modelo aceptado para la descripción fundamental de la materia, existen tres familias de partículas materiales (fermiones). Son llamadas familia del electrón, familia del muón y familia del tauón. Las familias se distinguen por la masa de sus correspondientes partículas, y se suelen representar en su respectiva propia columna en el diagrama de abajo. Cada familia de fermiones es más pesada que la anterior. Por otra parte están los bosones que son las partículas portadoras de las fuerzas.

Modelo Estandar

Toda la materia normal y estable que se encuentra en la Tierra está hecha de fermiones de la primera columna. Las familias del muón y tauón son más pesadas e inestables, y la vida media típica de una partícula de estas es menor de un segundo. Se producen como consecuencia de colisiones de alta energía de rayos cósmicos (protones sobre todo) contra la atmósfera, o pueden ser producidas masivamente en colisionadores.

Qué es un rayo cósmico

Tenemos la suerte de que a la tierra llegan constantemente rayos cósmicos, que son en su mayoría protones que viajan casi a la velocidad de la luz.  Son producidos en el sol y también en supernovas, con lo que estos últimos tardan en llegar a la tierra miles de años.  Al impactar contra la atmósfera superior, convierten su gran energía cinética en materia, a lo que se llama ducha de partículas.  Una ducha puede ser de millones de ellas. 

Abreviadamente se puede decir que muchas de estas partículas se desintegran en la atmósfera, pero algunas de ellas llegan hasta el nivel del suelo pasando por varias etapas de desintegración convertidas en muones.  El estudio de este fenómeno ha permitido entre otras cosas demostrar la dilatación del tiempo predicha por la teoría de la relatividad especial.

Sólo por curiosidad comentar finalmente que los rayos cósmicos se pueden ver directamente con los ojos, y esto les sucede a los astronautas, fenómeno que se llama fosfeno. Los rayos cósmicos pueden atravesar el casco de una nave espacial que no lleve escudo suficiente para ellos, con lo que penetran en la cabeza del astronauta y arrancan electrones de la retina, lo que se percibe como pequeños destellos que se repiten cada pocos minutos. La atmósfera sirve de escudo a los rayos cósmicos directos, y por eso este efecto no se da en la superficie de la Tierra.

Cómo se detectan los muones en la cámara de niebla

Muón en Cámara de Niebla
Traza compatible con muones

Los muones tienen la particularidad de que pueden atravesar una casa y llegar hasta donde se haya instalado la cámara de niebla. De hecho se han usado para estudiar el interior de las pirámides. Se estima que pueden llegar 10.000 muones al suelo por m² y minuto, aunque el dato varía dependiendo de la zona de la tierra.

Los munes pueden ionizar muchos átomos de gas debido a su energía, y se ven en la cámara de niebla como rayas gruesas y rectas que no rebotan, al contrario de los electrones.

Pueden capturarse trazas compatibles con muones entre cada uno a 5 minutos aproximadamente, dependiendo de las dimensiones de la pecera.

Otras fuentes

https://es.wikipedia.org/wiki/Cámara_de_niebla

https://es.wikipedia.org/wiki/Muon

https://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_estándar de la física de partículas

Espero que hayan gustado las posibilidades de éste experimento de construcción de una sencilla cámara de niebla. Cualquier comentario, sugerencia, etc. como siempre, son bienvenidos.

2 Replies to “Cámara de Niebla”

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