Θάλαμος νέφωσης του Wilson

Άρθρο, Νοέμβριος 2002

Θάλαμος Wilson είναι ένα από τα πιο παλιά συστήματα (1911) με τα οποία ανιχνεύουμε φορτισμένα σωμάτια, που διέρχονται μέσα από ένα δοχείο γεμάτο με υδρατμούς. Η ανακάλυψη του θαλάμου νέφωσης όμως οφείλεται στο φυσικό Charles Wilson που γεννήθηκε στις 14 Φεβρουαρίου του 1869, κοντά στο Εδιμβούργο, και πέθανε στις 15 Νοεμβρίου 1959.

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.

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 θάλαμος μπορεί να δείξει τις συγκρούσεις σωματιδίων με τα μόρια του αέρα καθώς και τι επακολουθεί αυτές τις συγκρούσεις.

Ο Θάλαμος Wilson του 1912

 Ο διορισμός του Wilson ως σπουδαστής του Maxwell, στο τέλος εκείνου του έτους, του επέτρεψε να αφιερώσει όλο του το χρόνο, στα επόμενα τρία έτη, στην έρευνα, και το επόμενο χρόνο να απασχοληθεί στην έρευνα 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.

Αρχές το 1911, εντούτοις, ήταν ο πρώτος που είδε και φωτογράφισε τις τροχιές μεμονωμένων άλφα και βήτα σωματιδίων καθώς και ηλεκτρονίων. Αλλά το 1923 ο θάλαμος νέφωσης του Wilson έφθασε στην τελειότητα και τον οδήγησε σε δύο  κλασικά έργα πάνω στις διαδρομές των ηλεκτρονίων.

Τροχιές ηλεκτρονίων που ελευθερώθηκαν όταν ακτίνες-Χ πέρασαν μέσα από το θάλαμο. Φωτογραφία του 1911 από τον Wilson

 Η τεχνική του Wilson ακολουθήθηκε αμέσως με τρομακτική επιτυχία σε όλα τα μέρη του κόσμου - στο Κέιμπριτζ, από τον Βρετανό φυσικό Baron Blackett (που το 1948 έλαβε το βραβείο Νόμπελ εξ αιτίας της περαιτέρω βελτίωσης του θαλάμου νέφωσης και των καινούργιων ανακαλύψεων του πάνω στην πυρηνική φυσική και τις κοσμικές ακτίνες) και τον Kapitsa. Στο Παρίσι, από την Irène Curie και τον Auger. Στο Βερολίνο, από τους Bothe, Meitner, και Philipp. Στο Λένινγκραντ, από τον Skobelzyn και στο Τόκιο από τον Kikuchi.

Μετατροπές και βελτιώσεις

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.

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 (Ο Αμερικανός φυσικός Arthur Compton μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ με τον Wilson το 1927), η ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Αμερικανό φυσικό Carl Anderson (που του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ το 1936 για αυτόν τον άθλο), 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. 

Άλλες παραλλαγές είναι ο θάλαμος φυσαλλίδων 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.

Εξέλιξη του θαλάμου σπινθήρων είναι ο αναλογικός θάλαμος Charpak, που έλαβε γι' αυτό το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1992.