PROYECTO “LA CAMARA DE NIEBLA”

OBJETIVO

General

Construir a partir de materiales simples un detector en el que vemos con nuestros propios ojos las estelas que dejan las partículas cargadas a su paso.

Específico

Apreciar el comportamiento de las partículas conocidas previamente para asociarlas a los fenómenos que ocurren en el medio ambiente.

HIPÓTESIS

En la realización del proyecto finalmente no se podrán apreciar claramente las partículas debido a que el alcohol isopropilico no se evaporara y el hielo seco no enfriara lo suficientemente el interior de la cámara para poder observar las partículas. Además se tardara demasiado tiempo y el hielo seco se derretirá.

INTRODUCCIÓN

La Física de partículas elementales, cuyo objetivo es descubrir las piezas básicas de las que todo está construido y las leyes que estas obedecen, es una parte fundamental de la ciencia y sin embargo recibe a menudo menos y peor atención de la que merece, tanto en la escuela y como entre el público general. (1)

El estudio de las partículas de alta energía se vio favorecido en gran medida en 1912, cuando C. T. R. Wilson, un físico escocés, ideó la cámara de niebla. El procedimiento general era permitir la evaporación de agua en un contenedor cerrado hasta el punto de saturación y luego bajar la presión, produciendo un volumen de aire super-saturado. Posteriormente, el paso de una partícula cargada condensará el vapor en diminutas gotas, produciendo un rastro visible que marca la trayectoria de la partícula. (3)

El dispositivo vino a ser llamado cámara de niebla de Wilson, y fue ampliamente utilizado en el estudio de la radiactividad. Una partícula alfa deja un rastro ancho y recto de longitud definida, mientras que un electrón produce un haz de luz con curvas, debido a las colisiones. Los rayos gamma no producían un rastro visible, ya que producen muy pocos iones en el aire. La cámara de niebla de Wilson llevó al descubrimiento del retroceso de los electrones por las colisiones de rayos X y rayos gamma, -los electrones dispersados de Compton-, y fue utilizado para descubrir la primera partícula de masa intermedia, el muón. Wilson fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1927, por el desarrollo de la cámara de niebla. (3)

La cámara de niebla encontró uso en la física de partículas, hasta la invención de la cámara de burbujas en el año 1952 por D. A. Glaser. (3)

Uno de los principales problemas en ambos casos es que “lo que sea que estudien los físicos de partículas” es generalmente percibido como poco menos que un invento de mentes calenturientas, sin ninguna relación con la realidad de los objetos naturales y artificiales con los que nos relacionamos. Y sin embargo, los físicos de partículas -pero no sólo ellos sino también los que se dedican a la medicina en los escáneres PET, por ejemplo- detectan cada día de forma rutinaria electrones, fotones, muones... con la misma confianza con la que todos “detectamos” vacas, mesas o aviones.

A partir de esto nos referimos al estudio de las partículas cargadas ionizadas que dejan a su paso pequeñas estelas blancas.(1,2)

La radiación ionizante es cualquiera de los varios tipos de partículas y rayos emitidos por material radiactivo, equipos de alto voltaje, reacciones nucleares y las estrellas. Los tipos que son generalmente importantes para su salud son las partículas alfa y beta, los rayos X y los rayos gama.

Las partículas alfa y beta son pequeños fragmentos de alta velocidad, emitidos por átomos radiactivos cuando se transforman a otra sustancia. Los rayos X y los rayos gama son tipos de radiación electromagnéticas. Estas partículas de radiación y rayos poseen suficiente energía para desplazar electrones de átomos y moléculas (tales como agua, proteína y DNA) a los que impactan o que pasan cerca. Este proceso es llamado ionización, por lo que esta radiación se llama "radiación ionizante.(3)

Para contribuir a superar esta situación hemos venido utilizando desde hace años cámaras de niebla no sólo en la escuela, sino en semanas culturales, actos de divulgación científica, museos de la ciencia, etc. (3)

La versión casera de la cámara de niebla no es más que una pecera hermética-mente cerrada, llena de aire y vapor de alcohol y cuyo fondo está muy frío, pero que permite detectar partículas cargadas de suficiente energía, particularmente los muones de los rayos cósmicos. Si la observación de trazas de partículas en la cámara de niebla se presenta de forma adecuada, se avanza mucho en el camino de convencerse de que “las partículas existen”. (1)

Este escrito está compuesto por  un manual a partir del que cualquiera puede construir una cámara de niebla casera a partir de materiales fácilmente accesibles (al menos en muchos sitios). (1)

La construcción de la cámara a partir de una pecera de vidrio o plástico, una chapa de aluminio, fieltro, cinta, hielo seco y alcohol se describe paso a paso. Se proporciona también una explicación básica del modo de funcionamiento (la física del detector) y las suficientes referencias bibliográficas como para ampliarla.

Sin embargo, para que la observación en la cámara sea útil de verdad hace falta un material complementario que permita apoyar la explicación. (1)

PROCEDIMIENTO

1.

Como base de la cámara se puede usar una pecera de plástico o vidrio (siempre que las juntas sean estancas.

Unas dimensiones aproximadas que vienen bien son 20 cm x 15 cm de ancho y, más importante, entre 15 y

20 cm de alto (pero hemos hecho cámaras de hasta 23 cm que han funcionado muy bien).

2.

Para que en el interior de la cámara haya vapor de alcohol utilizamos unas tiras de fieltro o similar de unos pocos cm de ancho pegadas a lo largo del interior de la cámara. Estas tiras se empaparán luego en isopropanol, por lo cual se pegaran con un pegamento no soluble en alcohol.

3.

Para cerrar la cámara se emplea una chapa de aluminio de las mismas dimensiones que la base de la pecera (o lo que sea). La cara que da al interior de la cámara se debe cubrir de cinta aislante de color negro mate para aumentar la visibilidad de las trazas.

Es muy importante que el cierre de la cámara sea hermético. Normalmente basta sellarla con cinta aislante o cinta americana alrededor del perímetro de la chapa de modo que esté bien adherida tanto a las paredes laterales de vidrio como a la cara exterior de la chapa y para esto es importante que la chapa se ajuste a la base de la pecera tanto como sea posible. Hay que elegir bien la cinta teniendo en cuenta que el frío y la humedad condensada pueden afectarla.

En algún caso (por ejemplo si la chapa es algo mayor que la base de la pecera) podría convenir colocar a lo largo del perímetro de la cara interna de la chapa una tira de burlete de goma y luego cerrar con cinta la cámara. Si la cámara es pequeña, podrían bastar el burlete y un peso encima.

Se podría unir no sólo el cuerpo de la cámara con su base no sólo a lo largo del perímetro de la chapa, sino también hacia arriba, o al menos colocar algún peso sobre la parte superior de la cámara, pero en la mayor parte de los casos todo esto es innecesario.

4.

Es simplemente un contenedor para el hielo seco sobre el que se va a colocar la cámara. Una buena opción es el poliestireno expandido (llamado “corcho blanco” o también “poliexpán” e incluso “porexpán”), ya que es un buen aislante térmico.

También se puede recortando tiras largas y gruesas que se ajusten a la pecera de “corcho blanco”.

5. Al momento de vaciar el hielo seco dentro del contenedor (utilizar guantes para evitar quemaduras) la cámara deberá estar dentro previamente para colocar el hielo seco a su alrededor (recomendablemente ya pulverizado para que el enfriamiento de la cámara sea proporcional en los cuatro lados de  la cámara).

6. Sobre poner una lámpara que caliente en un ángulo de 45° aproximadamente sobre la cámara.

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DIAGRAMA DE FLUJO

DIAGRAMA DE FLUJO

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RESULTADOS Y CÁLCULOS

Al concluir la practica pudimos comprobar que la hipótesis fue falsa debido a que si pudimos notar el comportamiento de las partículas en periodos cortos de tiempo como lo muestra la siguiente tabla:

[pic 19][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23][pic 24]

La construcción de la cámara resultó eficiente debido a que obtuvimos el resultado que se esperaba aunque se tuvo que hacer mucha precisión para ello.

El motivo de usar un alcohol como etanol, metanol o incluso  isopropilico es que son líquidos de baja presión de vapor (que se evaporan con facilidad) y baja energía de ionización (para que se formen núcleos de condensación para las estelas), además, no se congelan en contacto con la base fría de la cámara, lo que fastidiaría la visibilidad de las trazas dado esto fue como obtuvimos el resultado de poder observar las pequeñas partículas aunque no fueron demasiadas.

De igual manera durante el proceso de construcción de la cámara  tuvimos un pequeño accidente que en realidad nos resulto muy interesante ya que para pegar el corcho blanco a la bandeja grande tuvimos que utilizar un pegamento no soluble en alcohol y que resistiera varias temperaturas debido a que lo pondríamos bajo cero. Al momento de ponerle el pegamento PVC el corcho blanco se perforó es decir se empezó a deshacer debido a que el pegamento PVC es demasiado fuerte además que contiene componentes como cicloexanona resina de p.v.c. y clorudo de metilenio o estearato de zinc los cuales no se llegan a combinar bien con el corcho balnco además de su composición es muy sensible.

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Hablando con precisión, las partículas no pueden verse directamente, sino que su paso a través de los detectores se infiere de los efectos que causan, tales como la ionización (para partículas cargadas). Justamente eso es lo que se hace al observar la estela de condensación que dejan en el cielo los aviones que no podemos ver, y lo que hacemos con nuestra cámara de niebla casera.