<Τροχιές φορτισμένων σωματιδίων μέσα σε θάλαμο Wilson
Μετά την ανακάλυψη της ραδιενέργειας από τον Μπεκερέλ, εξαπλωνόταν όλο και περισσότερο η μελέτη υποατομικών σωματιδίων υψηλής ταχύτητας. Έτσι, ήταν σημαντικό για τους φυσικούς να έχουν στην διάθεση τους διατάξεις οι οποίες θα ήταν σε θέση να παρέχουν πληροφορίες γι’ αυτά τα σωματίδια. O μετρητής Geiger που φτιάχτηκε το 1908 μπορούσε να ανιχνεύσει την παρουσία τους, αλλά οι ερευνητές χρειάζονταν περισσότερα στοιχεία.
Την εποχή εκείνη ο Σκώτος φυσικός Charles Wilson, μελετούσε τα νέφη και στα πλαίσια των ερευνών του προσπαθούσε να παραγάγει μικρά τεχνητά νέφη στο εργαστήριο.
Το 1896 διεξήγαγε ένα σημαντικό πείραμα. Άφησε μια ποσότητα υγρού αέρα να διασταλεί μέσα σε ένα δοχείο. H διαστολή μείωσε την θερμοκρασία, με αποτέλεσμα ο αέρας να μην μπορεί να συγκρατήσει όλη την υγρασία. H περίσσεια εμφανίσθηκε ως σταγονίδια νερού, τα οποία σχημάτισαν ένα μικρό νέφος. Με αυτό τον τρόπο διαπίστωσε ότι η παρουσία σωματιδίων σκόνης ή ιόντων ευνοεί τον σχηματισμό σταγονιδίων νερού και, επομένως, και νεφών.
Στην πορεία των πειραμάτων του, ο Wilson σκέφθηκε ότι η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας θα παράγει ιόντα κατά την διέλευση της μέσα από την ατμόσφαιρα. Αν ο αέρας μέσα στο δοχείο του ήταν εντελώς απαλλαγμένος από σκόνη, θα μπορούσε να αυξήσει σε μεγάλο βαθμό την υγρασία του, χωρίς να σχηματισθούν σταγονίδια νερού, αφού δεν θα υπήρχαν σωματίδια σκόνης για να χρησιμεύσουν ως «πυρήνες» υγροποίησης.
Αν τώρα διέλθει από τον θάλαμο ένα σωματίδιο υψηλής ενέργειας, και ο θάλαμος υποστεί διαστολή, θα σχηματισθούν σταγονίδια νερού γύρω από τα ιόντα που θα έχουν δημιουργηθεί από την διέλευση του σωματιδίου. Έτσι θα είναι δυνατός όχι μόνο ο εντοπισμός του σωματιδίου αλλά και ο προσδιορισμός της τροχιάς του.
Τέλος, τοποθετώντας αυτό το θάλαμο νεφώσεως μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, η καμπύλωση της τροχιάς του σωματιδίου θα δείξει την φύση του ηλεκτρικού του φορτίου και θα δώσει πληροφορίες για την μάζα του. O θάλαμος θα μπορεί επίσης να δείξει τις συγκρούσεις σωματιδίων με μόρια και άλλα σωματίδια και να δώσει πληροφορίες για τα γεγονότα που συμβαίνουν πριν και μετά την σύγκρουση.
Το 1911 ο Wilson τελειοποίησε τον θάλαμο νεφώσεως, που πήρε το όνομα του. Έτσι, ήταν ο πρώτος που είδε και φωτογράφισε τις τροχιές μεμονωμένων άλφα και βήτα σωματιδίων καθώς και ηλεκτρονίων.
Περιγραφή του αρχικού θαλάμου
Ο αυθεντικός θάλαμος του Wilson
Ο θάλαμος αποτελείται από ένα κυλινδρικό δοχείο που περιέχει αέριο αργό ή ήλιο και κεκορεσμένους υδρατμούς. Η μία βάση του δοχείου είναι κινητή, ώστε να μετακινείται, ο όγκος του δοχείου να αυξάνεται και το αέριο να εκτονώνεται. Η άλλη βάση είναι διαφανής για να παρατηρούμε τα συμβάντα μέσα στο δοχείο.
Αν λοιπόν το αέριο εκτονωθεί απότομα και περάσει μέσα από το αέριο ένα φορτισμένο σωμάτιο ή ιόν, τότε πέφτοντας η θερμοκρασία του γίνονται οι υδρατμοί υπέρκοροι και αρχίζουν να συμπυκνώνονται γύρω από τα ιόντα, που παίζουν το ρόλο των πυρήνων συμπύκνωσης.
Με τον τρόπο αυτό κατά μήκος της τροχιάς κάθε φορτίου δημιουργούνται σταγονίδια, που μπορούμε να τα δούμε ή να τα φωτογραφήσουμε. Η μελέτη των φωτογραφιών μας αποκαλύπτει την εμβέλεια των σωματίων, την ταχύτητα τους, το είδος του σωματίου και την ορμή τους, αν τοποθετηθεί εντός μαγνητικού πεδίου.
Γρήγορα δε ο θάλαμος Wilson έγινε ένα από τα πιο χρήσιμα εργαλεία της πυρηνικής φυσικής και γι αυτό ο Γουίλσον τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1927.
Εξέλιξη του θαλάμου Wilson
Άξια προσοχής είναι οι μετατροπές που έφερε ο Blackett στο θάλαμο Wilson. Το τοποθέτησε ανάμεσα σε δύο μετρητές Geiger, ώστε κάθε σωματίδιο που καταγραφόταν από τους δύο μετρητές να περνά και από τον θάλαμο. Η φωτογραφική αποτύπωση των συμβάντων μέσα στο θάλαμο γινόταν μόνο όταν και οι δύο μετρητές κατέγραφαν ταυτόχρονα το συμβάν. Στη συνέχεια ο θάλαμος νέφωσης τοποθετήθηκε μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο κι έτσι η τροχιά του σωματιδίου καμπυλωνόταν. Με αυτό το τρόπο ανακαλύψαμε όχι μόνο το είδος του φορτίου του αλλά τη μάζα και τη ροπή του.
Άλλες παραλλαγές είναι ο θάλαμος φυσαλίδων από τον D.Glaser, που του απέφερε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1960, με υγρό υδρογόνο. Επίσης ο θάλαμος σπινθήρων, που αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες που βρίσκονται σε μια μεγάλη τάση μεταξύ τους και ανάμεσά τους υπάρχει ένα ευγενές αέριο. Τα φορτισμένα σωμάτια που διέρχονται ιοντίζουν το αέριο και λόγω της διαφοράς τάσης (10kV) δημιουργείται σπινθήρας.
Μερικά από τα σημαντικότερα επιτεύγματα που έγιναν χρησιμοποιώντας το θάλαμο Wilson ήταν:
η επίδειξη της ύπαρξης από τον Arthur Compton των ηλεκτρονίων σκέδασης, καθιερώνοντας κατά συνέπεια πέρα από οποιαδήποτε αμφιβολία την πραγματικότητα του φαινομένου Compton.
η ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Αμερικανό φυσικό Carl Anderson, η οπτική επίδειξη των διαδικασιών της "δημιουργίας ζεύγους" και της "εξαΰλωσης" ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων από τους Blackett και Occhialini.
Και τέλος η επίδειξη της μεταστοιχείωσης των ατομικών πυρήνων, που πραγματοποιήθηκε από τους Cockcroft και Walton. Κατά συνέπεια, η παρατήρηση του Rutherford ότι ο θάλαμος νέφωσης του Wilson ήταν "το πιό αυθεντικό και θαυμάσιο όργανο στην επιστημονική ιστορία", έχει πλήρως δικαιολογηθεί.
Η ιστορία της ανακάλυψης
Προς το τέλος του καλοκαιριού του 1894, όταν ο Wilson βρισκόταν στο υψηλότερο βουνό της Σκωτίας, εντυπωσιάστηκε από την ομορφιά των στεμμάτων και των χρωματισμένων δαχτυλιδιών, που περιβάλλουν τις σκιές στα νέφη και την υγρασία, και αποφάσισε να μιμηθεί αυτά τα φυσικά φαινόμενα στο εργαστήριο του (αρχές του 1895).
Άρχισε λοιπόν να παραγάγει μικρά τεχνητά νέφη στο εργαστήριο και το 1896 έκανε ένα σημαντικό πείραμα. Άφησε μια ποσότητα υγρού αέρα να εκτονωθεί μέσα σε ένα δοχείο, απαλλαγμένου από σκόνη. Η εκτόνωση φυσικά μείωσε την θερμοκρασία, με αποτέλεσμα ο αέρας να μην μπορεί να συγκρατήσει όλη την υγρασία. Η υγρασία που περίσσευε εμφανίστηκε ως σταγονίδια νερού, τα οποία σχημάτισαν ένα μικρό νέφος.
Αλλά η οξεία παρατηρητικότητά του και η έντονη διάνοια του, εντούτοις, τον οδήγησαν να υποπτευθεί (μετά από εργασία μερικών μηνών στο εργαστήριο Cavendish), ότι οι λίγες σταγόνες, που εμφανίζονταν επανειλημμένως κάθε φορά που αυτός εκτόνωνε έναν όγκο υγρού, μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της συμπύκνωσης της υγρασίας πάνω σε πυρήνες ή σε ιόντα που υπήρχαν στο θάλαμο. Έτσι και χωρίς σωματίδια σκόνης είναι δυνατόν να σχηματισθούν νέφη μέσα στο θάλαμο. Τότε γνώριζαν ότι μόνο τα σωματίδια της σκόνης μπορούν να δημιουργήσουν σταγόνες, ενεργώντας σαν πυρήνες υγροποίησης.
Ο Wilson εν συνεχεία, σκέφθηκε να ιονίσει τον αέρα μέσα στο πρωτόγονο θάλαμο νέφωσης του, με τη βοήθεια της πρόσφατα ανακαλυμμένης (τέλος 1895) ακτινοβολίας-X από τον Röntgen. Σε αυτό τον βοήθησε η παρατήρηση από τους Thomson και McClelland, ότι ο αέρας έγινε αγώγιμος μετά από τη διέλευση των ακτίνων X. Πράγματι η διέλευση της ακτινοβολίας μέσα από τον αέρα του θαλάμου δημιούργησε ιόντα, που αύξησαν την υγρασία.
Αν διέλθει μέσα από τον θάλαμο ένα φορτισμένο σωματίδιο υψηλής ενέργειας πχ άλφα και ο θάλαμος υποστεί εκτόνωση, θα σχηματισθούν σταγονίδια νερού γύρω από τα ιόντα που θα έχουν δημιουργηθεί από την διέλευση του σωματιδίου. Έτσι θα είναι και ο εντοπισμός του σωματιδίου που διήλθε και η τροχιά του.
Όταν, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού εκείνου του έτους, επιβεβαιώθηκε πλήρως από τους Thomson και Rutherford ότι η αγωγιμότητα πράγματι οφειλόταν στον ιονισμό του αερίου, δεν υπήρξε πλέον οποιαδήποτε αμφιβολία ότι τα ιόντα στα αέρια θα μπορούσαν να ανιχνευθούν και, με λήψη φωτογραφιών, να καταγραφούν και να μελετηθούν έτσι με ησυχία.
Ο διορισμός του Wilson ως σπουδαστής του Maxwell, στο τέλος εκείνου του έτους, του επέτρεψε να αφιερώσει όλο του το χρόνο στην έρευνα, όπως και για τον ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό. Το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας του στη συμπεριφορά των ιόντων ως πυρήνες συμπύκνωσης εκτελέσθηκε ανάμεσα στα έτη 1895-1900, ενώ μετά η διδασκαλία στο Πανεπιστήμιο τον απέτρεψαν από το να ασχοληθεί αρκετά με την ανάπτυξη του θαλάμου νέφωσης.
Αλλά το 1923 ο θάλαμος νέφωσης του Wilson έφθασε στην τελειότητα και τον οδήγησε σε δύο κλασικά έργα πάνω στις διαδρομές των ηλεκτρονίων.
Την εποχή εκείνη ο Σκώτος φυσικός Charles Wilson, μελετούσε τα νέφη και στα πλαίσια των ερευνών του προσπαθούσε να παραγάγει μικρά τεχνητά νέφη στο εργαστήριο.
Το 1896 διεξήγαγε ένα σημαντικό πείραμα. Άφησε μια ποσότητα υγρού αέρα να διασταλεί μέσα σε ένα δοχείο. H διαστολή μείωσε την θερμοκρασία, με αποτέλεσμα ο αέρας να μην μπορεί να συγκρατήσει όλη την υγρασία. H περίσσεια εμφανίσθηκε ως σταγονίδια νερού, τα οποία σχημάτισαν ένα μικρό νέφος. Με αυτό τον τρόπο διαπίστωσε ότι η παρουσία σωματιδίων σκόνης ή ιόντων ευνοεί τον σχηματισμό σταγονιδίων νερού και, επομένως, και νεφών.
Στην πορεία των πειραμάτων του, ο Wilson σκέφθηκε ότι η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας θα παράγει ιόντα κατά την διέλευση της μέσα από την ατμόσφαιρα. Αν ο αέρας μέσα στο δοχείο του ήταν εντελώς απαλλαγμένος από σκόνη, θα μπορούσε να αυξήσει σε μεγάλο βαθμό την υγρασία του, χωρίς να σχηματισθούν σταγονίδια νερού, αφού δεν θα υπήρχαν σωματίδια σκόνης για να χρησιμεύσουν ως «πυρήνες» υγροποίησης.
Αν τώρα διέλθει από τον θάλαμο ένα σωματίδιο υψηλής ενέργειας, και ο θάλαμος υποστεί διαστολή, θα σχηματισθούν σταγονίδια νερού γύρω από τα ιόντα που θα έχουν δημιουργηθεί από την διέλευση του σωματιδίου. Έτσι θα είναι δυνατός όχι μόνο ο εντοπισμός του σωματιδίου αλλά και ο προσδιορισμός της τροχιάς του.
Τέλος, τοποθετώντας αυτό το θάλαμο νεφώσεως μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, η καμπύλωση της τροχιάς του σωματιδίου θα δείξει την φύση του ηλεκτρικού του φορτίου και θα δώσει πληροφορίες για την μάζα του. O θάλαμος θα μπορεί επίσης να δείξει τις συγκρούσεις σωματιδίων με μόρια και άλλα σωματίδια και να δώσει πληροφορίες για τα γεγονότα που συμβαίνουν πριν και μετά την σύγκρουση.
Το 1911 ο Wilson τελειοποίησε τον θάλαμο νεφώσεως, που πήρε το όνομα του. Έτσι, ήταν ο πρώτος που είδε και φωτογράφισε τις τροχιές μεμονωμένων άλφα και βήτα σωματιδίων καθώς και ηλεκτρονίων.
Περιγραφή του αρχικού θαλάμου
Ο αυθεντικός θάλαμος του WilsonΟ θάλαμος αποτελείται από ένα κυλινδρικό δοχείο που περιέχει αέριο αργό ή ήλιο και κεκορεσμένους υδρατμούς. Η μία βάση του δοχείου είναι κινητή, ώστε να μετακινείται, ο όγκος του δοχείου να αυξάνεται και το αέριο να εκτονώνεται. Η άλλη βάση είναι διαφανής για να παρατηρούμε τα συμβάντα μέσα στο δοχείο.
Αν λοιπόν το αέριο εκτονωθεί απότομα και περάσει μέσα από το αέριο ένα φορτισμένο σωμάτιο ή ιόν, τότε πέφτοντας η θερμοκρασία του γίνονται οι υδρατμοί υπέρκοροι και αρχίζουν να συμπυκνώνονται γύρω από τα ιόντα, που παίζουν το ρόλο των πυρήνων συμπύκνωσης.
Με τον τρόπο αυτό κατά μήκος της τροχιάς κάθε φορτίου δημιουργούνται σταγονίδια, που μπορούμε να τα δούμε ή να τα φωτογραφήσουμε. Η μελέτη των φωτογραφιών μας αποκαλύπτει την εμβέλεια των σωματίων, την ταχύτητα τους, το είδος του σωματίου και την ορμή τους, αν τοποθετηθεί εντός μαγνητικού πεδίου.
Γρήγορα δε ο θάλαμος Wilson έγινε ένα από τα πιο χρήσιμα εργαλεία της πυρηνικής φυσικής και γι αυτό ο Γουίλσον τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1927.
Εξέλιξη του θαλάμου Wilson
Άξια προσοχής είναι οι μετατροπές που έφερε ο Blackett στο θάλαμο Wilson. Το τοποθέτησε ανάμεσα σε δύο μετρητές Geiger, ώστε κάθε σωματίδιο που καταγραφόταν από τους δύο μετρητές να περνά και από τον θάλαμο. Η φωτογραφική αποτύπωση των συμβάντων μέσα στο θάλαμο γινόταν μόνο όταν και οι δύο μετρητές κατέγραφαν ταυτόχρονα το συμβάν. Στη συνέχεια ο θάλαμος νέφωσης τοποθετήθηκε μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο κι έτσι η τροχιά του σωματιδίου καμπυλωνόταν. Με αυτό το τρόπο ανακαλύψαμε όχι μόνο το είδος του φορτίου του αλλά τη μάζα και τη ροπή του.
Άλλες παραλλαγές είναι ο θάλαμος φυσαλίδων από τον D.Glaser, που του απέφερε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1960, με υγρό υδρογόνο. Επίσης ο θάλαμος σπινθήρων, που αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες που βρίσκονται σε μια μεγάλη τάση μεταξύ τους και ανάμεσά τους υπάρχει ένα ευγενές αέριο. Τα φορτισμένα σωμάτια που διέρχονται ιοντίζουν το αέριο και λόγω της διαφοράς τάσης (10kV) δημιουργείται σπινθήρας.
Μερικά από τα σημαντικότερα επιτεύγματα που έγιναν χρησιμοποιώντας το θάλαμο Wilson ήταν:
η επίδειξη της ύπαρξης από τον Arthur Compton των ηλεκτρονίων σκέδασης, καθιερώνοντας κατά συνέπεια πέρα από οποιαδήποτε αμφιβολία την πραγματικότητα του φαινομένου Compton.
η ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Αμερικανό φυσικό Carl Anderson, η οπτική επίδειξη των διαδικασιών της "δημιουργίας ζεύγους" και της "εξαΰλωσης" ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων από τους Blackett και Occhialini.
Και τέλος η επίδειξη της μεταστοιχείωσης των ατομικών πυρήνων, που πραγματοποιήθηκε από τους Cockcroft και Walton. Κατά συνέπεια, η παρατήρηση του Rutherford ότι ο θάλαμος νέφωσης του Wilson ήταν "το πιό αυθεντικό και θαυμάσιο όργανο στην επιστημονική ιστορία", έχει πλήρως δικαιολογηθεί.
Η ιστορία της ανακάλυψης
Προς το τέλος του καλοκαιριού του 1894, όταν ο Wilson βρισκόταν στο υψηλότερο βουνό της Σκωτίας, εντυπωσιάστηκε από την ομορφιά των στεμμάτων και των χρωματισμένων δαχτυλιδιών, που περιβάλλουν τις σκιές στα νέφη και την υγρασία, και αποφάσισε να μιμηθεί αυτά τα φυσικά φαινόμενα στο εργαστήριο του (αρχές του 1895).
Άρχισε λοιπόν να παραγάγει μικρά τεχνητά νέφη στο εργαστήριο και το 1896 έκανε ένα σημαντικό πείραμα. Άφησε μια ποσότητα υγρού αέρα να εκτονωθεί μέσα σε ένα δοχείο, απαλλαγμένου από σκόνη. Η εκτόνωση φυσικά μείωσε την θερμοκρασία, με αποτέλεσμα ο αέρας να μην μπορεί να συγκρατήσει όλη την υγρασία. Η υγρασία που περίσσευε εμφανίστηκε ως σταγονίδια νερού, τα οποία σχημάτισαν ένα μικρό νέφος.
Αλλά η οξεία παρατηρητικότητά του και η έντονη διάνοια του, εντούτοις, τον οδήγησαν να υποπτευθεί (μετά από εργασία μερικών μηνών στο εργαστήριο Cavendish), ότι οι λίγες σταγόνες, που εμφανίζονταν επανειλημμένως κάθε φορά που αυτός εκτόνωνε έναν όγκο υγρού, μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της συμπύκνωσης της υγρασίας πάνω σε πυρήνες ή σε ιόντα που υπήρχαν στο θάλαμο. Έτσι και χωρίς σωματίδια σκόνης είναι δυνατόν να σχηματισθούν νέφη μέσα στο θάλαμο. Τότε γνώριζαν ότι μόνο τα σωματίδια της σκόνης μπορούν να δημιουργήσουν σταγόνες, ενεργώντας σαν πυρήνες υγροποίησης.
Ο Wilson εν συνεχεία, σκέφθηκε να ιονίσει τον αέρα μέσα στο πρωτόγονο θάλαμο νέφωσης του, με τη βοήθεια της πρόσφατα ανακαλυμμένης (τέλος 1895) ακτινοβολίας-X από τον Röntgen. Σε αυτό τον βοήθησε η παρατήρηση από τους Thomson και McClelland, ότι ο αέρας έγινε αγώγιμος μετά από τη διέλευση των ακτίνων X. Πράγματι η διέλευση της ακτινοβολίας μέσα από τον αέρα του θαλάμου δημιούργησε ιόντα, που αύξησαν την υγρασία.
Αν διέλθει μέσα από τον θάλαμο ένα φορτισμένο σωματίδιο υψηλής ενέργειας πχ άλφα και ο θάλαμος υποστεί εκτόνωση, θα σχηματισθούν σταγονίδια νερού γύρω από τα ιόντα που θα έχουν δημιουργηθεί από την διέλευση του σωματιδίου. Έτσι θα είναι και ο εντοπισμός του σωματιδίου που διήλθε και η τροχιά του.
Όταν, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού εκείνου του έτους, επιβεβαιώθηκε πλήρως από τους Thomson και Rutherford ότι η αγωγιμότητα πράγματι οφειλόταν στον ιονισμό του αερίου, δεν υπήρξε πλέον οποιαδήποτε αμφιβολία ότι τα ιόντα στα αέρια θα μπορούσαν να ανιχνευθούν και, με λήψη φωτογραφιών, να καταγραφούν και να μελετηθούν έτσι με ησυχία.
Ο διορισμός του Wilson ως σπουδαστής του Maxwell, στο τέλος εκείνου του έτους, του επέτρεψε να αφιερώσει όλο του το χρόνο στην έρευνα, όπως και για τον ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό. Το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας του στη συμπεριφορά των ιόντων ως πυρήνες συμπύκνωσης εκτελέσθηκε ανάμεσα στα έτη 1895-1900, ενώ μετά η διδασκαλία στο Πανεπιστήμιο τον απέτρεψαν από το να ασχοληθεί αρκετά με την ανάπτυξη του θαλάμου νέφωσης.
Αλλά το 1923 ο θάλαμος νέφωσης του Wilson έφθασε στην τελειότητα και τον οδήγησε σε δύο κλασικά έργα πάνω στις διαδρομές των ηλεκτρονίων.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου