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Una cámara de niebla, también conocida como cámara de Wilson, es un detector de partículas utilizado para visualizar el paso de radiación ionizante.
Una cámara de niebla consta de un entorno sellado que contiene un vapor supersaturado de agua o alcohol. Una partícula cargada energética (por ejemplo, una partícula alfa o beta) interactúa con la mezcla gaseosa al arrancar electrones de las moléculas de gas a través de fuerzas electrostáticas durante las colisiones, lo que resulta en una trayectoria de partículas gaseosas ionizadas.
Los iones resultantes actúan como centros de condensación alrededor de los cuales se forma una trayectoria de pequeñas gotas similares a la niebla si la mezcla gaseosa está en el punto de condensación.
Estas gotas son visibles como una trayectoria de «nube» que persiste durante varios segundos mientras las gotas caen a través del vapor. Estas trayectorias tienen formas características. Por ejemplo, una trayectoria de partícula alfa es gruesa y recta, mientras que una trayectoria de partícula beta es delicada y muestra más evidencia de desviaciones por colisiones.
Las cámaras de niebla fueron inventadas a principios de 1900 por el físico escocés Charles Thomson Rees Wilson. Jugaron un papel destacado en la física experimental de partículas desde la década de 1920 hasta la de 1950, hasta la llegada de la cámara de burbujas.
En particular, los descubrimientos del positrón en 1932 y del muón en 1936, ambos realizados por Carl Anderson (galardonado con el Premio Nobel de Física en 1936), utilizaron cámaras de niebla. El descubrimiento del kaón por George Rochester y Clifford Charles Butler en 1947 también se realizó utilizando una cámara de niebla como detector.
En cada uno de estos casos, los rayos cósmicos fueron la fuente de radiación ionizante. Sin embargo, también se utilizaron con fuentes artificiales de partículas, por ejemplo, en aplicaciones de radiografía como parte del Proyecto Manhattan.
Historia de la cámara de niebla
Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), un físico escocés, es acreditado con la invención de la cámara de niebla.
Wilson nació en una familia agrícola en las colinas de Pentland en Escocia. Su padre falleció cuando Wilson solo tenía cuatro años, y su madre, con tres hijos y cuatro hijastros, se mudó a la casa de sus padres en Manchester. Los dos hermanos mayores de Wilson pronto emprendieron carreras que apoyaron a la familia y permitieron que Charles y su hermano menor George estudiaran.
Wilson asistió al Owens College en Manchester y luego ganó una beca para Cambridge, donde pronto se decidió por la física y la química, graduándose en 1892. Para llegar a fin de mes, trabajó como demostrador y tutor privado, trasladándose finalmente a Bradford para enseñar en una escuela para niños. Disfrutaba del trabajo, pero se frustraba al no poder realizar investigaciones.
Así que Wilson regresó a Cambridge, donde daba clases a estudiantes de medicina; apenas le alcanzaba para sobrevivir, pero le brindaba la oportunidad de trabajar en el laboratorio Cavendish, dirigido por J. J. Thomson.
Mientras Wilson buscaba un proyecto, pasó tiempo en Ben Nevis durante el verano de 1894. La experiencia cambiaría su vida: en la cumbre, observó una sucesión de fenómenos ópticos, como coronas multicolores alrededor del sol y glorias proyectadas en la niebla. Había encontrado su problema: replicar estos fenómenos en el laboratorio.
Primeros intentos de crear niebla
No fue el primero en intentar hacer nubes en el laboratorio. En 1875, Paul-Jean Coulier, profesor de química aplicada e higiene en la escuela médica militar Val de Grace en Francia, mostró cómo hacer una niebla en aire húmedo. Utilizó una pera de goma para comprimir el aire contenido en un gran matraz de vidrio; cuando se liberaba la pera, se formaba una niebla.
Pero la niebla era «caprichosa» y fallaba después de unas pocas repeticiones. Si se introducía «aire fresco» en el matraz, la niebla regresaba, pero si el aire se filtraba con un tapón de lana de algodón, la niebla fallaba. Coulier concluyó que las gotas de agua solo se formaban en partículas de polvo en el aire; el humo del tabaco era una excelente fuente, pero no llevó el trabajo más allá.
En 1880, John Aitken en Edimburgo redescubrió el efecto y realizó mejores estimaciones del número y tamaño de estos núcleos, como los llamó. El artículo de Aitken llamó la atención del mundo meteorológico sobre este mecanismo sutil para la formación de nubes.
Nubes de laboratorio
Wilson diseñó un nuevo aparato formador de nubes: una copa boca abajo se colocaba dentro de una botella llena de agua para atrapar un volumen específico de aire; la botella estaba conectada a través de un par de válvulas a una segunda botella evacuada. Al abrir las válvulas, se producía una caída repentina de presión, y la expansión rápida del gas atrapado provocaba la aparición de una nube. Al repetir la expansión una y otra vez, eventualmente podía liberar el gas de los núcleos de Aitken, y la niebla solo se formaba cuando el grado de saturación de la humedad superaba un valor de 1.252, una precisión que habla mucho del trabajo meticuloso de Wilson.
En los años siguientes, redujo el tamaño de su aparato para permitir expansiones cada vez más rápidas; dependiendo de la relación de expansión, las nieblas mostraban anillos de difracción de diferentes colores. Le siguieron experimentos con diferentes gases. Su trabajo requería soplado de vidrio excepcionalmente cuidadoso y complejo, y su equipo a menudo se rompía. El apacible y reservado Wilson a veces se le escuchaba murmurar «querido, querido» y luego empezaba de nuevo.
Rayos X y la niebla
Para investigar el origen de su límite de condensación ‘1.252’, Wilson irradió rayos X en la cámara y descubrió que las nieblas se formaban solo durante o justo después de la irradiación, lo que sugería que los iones libres en el aire eran responsables de la condensación. Durante los próximos años, documentó meticulosamente el papel de los iones en el aire, mostrando eventualmente las condiciones bajo las cuales ocurría la condensación tipo lluvia en su cámara.
Una experiencia escalofriante en Ben Nevis durante una tormenta eléctrica lo desvió para explorar los orígenes de la carga eléctrica en las nubes, pero en 1910, la emoción por la radioactividad lo hizo regresar a la condensación.
Wilson se preguntó si los iones producidos por las partículas alfa y beta de Ernest Rutherford podrían hacer que las gotas de agua se condensaran. Rediseñó su fabricante de nubes con una cámara de expansión mucho más amplia, de 7.5 cm de diámetro con una ventana de vidrio ligeramente recubierta de gelatina, en parte para evitar que la ventana se empañara, pero también para permitir la aplicación de campos eléctricos.
El suelo de la cámara podía caer rápidamente para causar la expansión. El aparato funcionó maravillosamente; rayas de condensación atravesaron la cámara, revelando el curso de las partículas cargadas.
Wilson recibió la mitad del Premio Nobel de Física en 1927 por su trabajo en la cámara de niebla (el mismo año en que Arthur Compton recibió la otra mitad del premio por el Efecto Compton). Este tipo de cámara también se llama cámara pulsada porque las condiciones de operación no se mantienen continuamente.
Desarrollos posteriores y otras cámaras
Se hicieron más desarrollos por Patrick Blackett, quien utilizó un resorte rígido para expandir y comprimir la cámara muy rápidamente, haciendo que la cámara fuera sensible a partículas varias veces por segundo. Se utilizó una película cinematográfica para grabar las imágenes.
La cámara de niebla de difusión fue desarrollada en 1936 por Alexander Langsdorf. Esta cámara difiere de la cámara de niebla de expansión en que está continuamente sensibilizada a la radiación y en que el fondo debe enfriarse a una temperatura bastante baja, generalmente más fría que −26 °C (−15 °F).
En lugar de vapor de agua, se utiliza alcohol debido a su punto de congelación más bajo. Las cámaras de niebla enfriadas con hielo seco o con el efecto termoeléctrico Peltier son dispositivos comunes de demostración y aficionados; el alcohol utilizado en ellas es comúnmente alcohol isopropílico o alcohol metílico.
Funcionamiento de la cámara de niebla
Una cámara de niebla simple consta de un entorno sellado, una placa superior cálida y una placa inferior fría. Requiere una fuente de alcohol líquido en el lado cálido de la cámara, donde el líquido se evapora, formando un vapor que se enfría al caer a través del gas y se condensa en la placa inferior fría. Se necesita algún tipo de radiación ionizante.
Isopropanol, metanol u otro vapor de alcohol satura la cámara. El alcohol cae a medida que se enfría y el condensador frío proporciona un gradiente de temperatura pronunciado. El resultado es un entorno supersaturado. A medida que las partículas cargadas energéticas pasan a través del gas, dejan rastros de ionización.
El vapor de alcohol se condensa alrededor de los senderos iónicos gaseosos dejados por las partículas ionizantes. Esto ocurre porque las moléculas de alcohol y agua son polares, lo que resulta en una fuerza neta atractiva hacia una carga libre cercana. El resultado es una formación de nubes brumosa, vista por la presencia de gotas que caen hacia el condensador. Cuando los rastros son emitidos desde una fuente, su punto de origen se puede determinar fácilmente. La siguiente Figura muestra un ejemplo de una partícula alfa de una fuente de tipo clavo Pb-210 experimentando dispersión de Rutherford.
Justo encima de la placa del condensador frío hay un volumen de la cámara que es sensible a los rastros de ionización. El rastro iónico dejado por las partículas radiactivas proporciona un disparador óptimo para la condensación y la formación de nubes. Este volumen sensible se aumenta en altura mediante el uso de un gradiente de temperatura pronunciado y condiciones estables.
A menudo se utiliza un campo eléctrico fuerte para atraer las pistas de nubes hacia la región sensible de la cámara y aumentar la sensibilidad de la cámara. El campo eléctrico también puede servir para evitar grandes cantidades de «lluvia» de fondo que oscurezcan la región sensible de la cámara, causada por la condensación que se forma por encima del volumen sensible de la cámara, obstruyendo así las pistas por precipitación constante.
Un fondo negro facilita la observación de las pistas de nubes, y generalmente se necesita una fuente de luz tangencial para iluminar las gotas blancas contra el fondo negro. A menudo, las pistas no son evidentes hasta que se forma un charco poco profundo de alcohol en la placa del condensador.
Si se aplica un campo magnético a través de la cámara de nubes, las partículas cargadas positiva y negativamente se curvarán en direcciones opuestas, según la ley de la fuerza de Lorentz; sin embargo, es difícil lograr campos lo suficientemente fuertes con configuraciones pequeñas para aficionados. Este método también se utilizó para demostrar la existencia del positrón en 1932, de acuerdo con la prueba teórica de Paul Dirac, publicada en 1928.
Para más información Wilson’s cloud chamber
Como citar este artículo:
APA: (2024-06-17). Cámara de niebla. Recuperado de https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/camara-de-niebla/
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IEEE: , "Cámara de niebla," https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/camara-de-niebla/, fecha de consulta 2025-06-15.
Vancouver: . Cámara de niebla. [Internet]. 2024-06-17 [citado 2025-06-15]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/camara-de-niebla/.
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