Każdego dnia otacza nas niewidzialne promieniowanie jonizujące, którego nie możemy dostrzec gołym okiem. Na szczęście dzięki genialnej konstrukcji, jaką jest komora Wilsona (znana również jako komora mgłowa lub kondensacyjna), możemy obserwować ślady pozostawiane przez cząstki promieniowania. W tym artykule przybliżymy fascynującą historię tego wynalazku oraz wyjaśnimy, jak działa to rewolucyjne urządzenie.
Historia
Historia komory Wilsona sięga początku XX wieku, kiedy szkocki fizyk Charles Thomson Rees Wilson stworzył pierwszy prototyp tego detektora cząstek. Co ciekawe, inspiracją dla Wilsona były obserwacje optyczne prowadzone na szczycie Ben Nevis w 1894 roku. Jego praca nad komorą mgłową okazała się przełomowa dla fizyki cząstek elementarnych, co zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1927 roku.
Komora Wilsona odegrała kluczową rolę w rozwoju fizyki cząstek elementarnych. To właśnie dzięki niej Carl Anderson dokonał przełomowego odkrycia pozytonu w 1932 roku oraz muonu w 1936 roku, za co również otrzymał Nagrodę Nobla. Kolejnym znaczącym osiągnięciem było odkrycie kaonu przez George’a Rochestera i Clifforda Charlesa Butlera w 1947 roku.
Typy komór Wilsona
Rozróżniamy dwa główne typy komór Wilsona: komorę rozprężeniową oraz dyfuzyjną. Komora rozprężeniowa, czyli pierwotna konstrukcja Wilsona, wykorzystuje mechanizm szybkiej zmiany objętości wypełnionej parą wodną przestrzeni. Z kolei nowocześniejsza komora dyfuzyjna bazuje na zjawisku kondensacji par alkoholu w gradiencie temperatur.
Przyjrzyjmy się bliżej zasadzie działania komory dyfuzyjnej. Składa się ona z zamkniętej przestrzeni z ciepłą górną płytą oraz zimną dolną płytą. Na górze komory znajduje się zbiornik z alkoholem (najczęściej izopropanolem), który paruje pod wpływem ciepła. Powstała para opada w dół komory, gdzie ulega ochłodzeniu. W pewnym obszarze komory powstaje warstwa przesyconej pary, gotowej do kondensacji.
Kiedy przez komorę przelatuje cząstka promieniowania jonizującego, wybija ona elektrony z cząsteczek gazu, tworząc jony. Te jony stają się centrami kondensacji dla przesyconej pary alkoholu. W rezultacie wzdłuż toru przelotu cząstki powstaje widoczny ślad w postaci kropelek cieczy, przypominający smugę mgły.
Szczególnie interesujące możliwości badawcze otwiera umieszczenie komory Wilsona w polu magnetycznym. Pole to powoduje zakrzywienie torów naładowanych cząstek, przy czym kierunek zakrzywienia zależy od znaku ładunku cząstki. Dzięki temu możemy nie tylko obserwować ślady cząstek, ale również określać ich ładunek elektryczny oraz pęd.
Mimo że w latach 60. XX wieku komory Wilsona zostały w dużej mierze zastąpione przez komory pęcherzykowe, nadal stanowią fascynujący przykład tego, jak pomysłowa konstrukcja pozwala nam zajrzeć w niedostrzegalny gołym okiem świat cząstek elementarnych. Współcześnie komory mgłowe znajdują zastosowanie w celach demonstracyjnych i edukacyjnych, pomagając zrozumieć naturę promieniowania jonizującego.
Jak zobaczyć promieniowanie?
W komorze Wilsona różne rodzaje promieniowania jonizującego pozostawiają charakterystyczne ślady, co pozwala na ich identyfikację. Cząstki alfa tworzą grube i proste tory, podczas gdy cząstki beta zostawiają cieńsze, bardziej kręte ślady ze względu na częstsze oddziaływania z atomami gazu.
Istotnym usprawnieniem oryginalnej konstrukcji były modyfikacje wprowadzone przez Patricka Blacketta. Zastosował on sztywną sprężynę do szybkiej kompresji i ekspansji komory, co umożliwiło wykrywanie cząstek kilka razy na sekundę. Ten rodzaj urządzenia nazwano komorą pulsacyjną.
W 1936 roku Alexander Langsdorf wprowadził kolejną innowację, tworząc komorę dyfuzyjną. W przeciwieństwie do komory rozprężeniowej, ta konstrukcja wymaga schłodzenia dolnej płyty do temperatury poniżej -26°C. Zamiast pary wodnej wykorzystuje się w niej alkohole, takie jak alkohol izopropylowy lub spirytus metylowy, ze względu na ich niższą temperaturę zamarzania.
Współczesne komory demonstracyjne często wykorzystują suchy lód lub chłodzenie termoelektryczne za pomocą ogniw Peltiera. Dodatkowym elementem poprawiającym widoczność śladów jest zastosowanie silnego pola elektrycznego, które przyciąga powstające ślady do czułego obszaru komory i zwiększa jej czułość. Pole elektryczne pomaga również zapobiegać tworzeniu się nadmiernej ilości tła w postaci „deszczu” kropel, które mogłyby zasłaniać interesujące nas tory cząstek.
Komora Wilsona znalazła również zastosowanie w radiografii podczas Projektu Manhattan, co pokazuje jej znaczenie nie tylko w badaniach podstawowych, ale również w praktycznych aplikacjach. Urządzenie to odegrało kluczową rolę w rozwoju fizyki cząstek elementarnych, umożliwiając bezpośrednią obserwację zjawisk przewidzianych teoretycznie, jak w przypadku pozytonów, których istnienie zostało przewidziane przez Paula Diraca w 1928 roku, a potwierdzone eksperymentalnie w 1932 roku.
Aby uzyskać optymalną widoczność śladów cząstek, stosuje się czarne tło i oświetlenie styczne, które pozwala na lepsze uwidocznienie białych kropelek kondensatu. Często ślady stają się wyraźnie widoczne dopiero po utworzeniu się cienkiej warstwy alkoholu na płycie kondensacyjnej.