A ködkamra

A ködkamra

A ködkamra 9286 Link

Az első, mikrorészecskéket detektáló készülékek egyszerű kristályok voltak: a részecskebecsapódás helyén apró fényfelvillanás keletkezett, melyet sötét szobába mikroszkóppal meg lehetett figyelni. Ilyen a \(\mathrm{ZnS(Cu)}\) vagyis rézzel szennyezett cink-szulfid és a \(\mathrm{NaI(Tl)}\) vagyis talliummal szennyezett nátrium-jodid. Ezt használták az atommag felfedezéséhez vezető aranyfóliás Rutherford-kísérletben. Ezekhez képest már továbblépést jelentett, amikor a repülő részecske pályáját is meg lehetett figyelni, mivel a töltött részecskékre mágneses mezőben Lorentz-erő hat, ami a pályájukat elgörbíti, a pálya ívéből pedig következtetni lehet a részecske tulajdonságaira (töltés, tömeg, sebesség, impulzus). Az első ilyen berendezés a ködkamra (cloud chamber) volt, melyet Wilson skót fizikus készített 1911-ben. Ebben egy átlátszó (üveg)falú tartályban gáz és folyadék gőzének keveréke van, és a gőzt túltelített állapotba hozzuk. Mivel alacsonyabb hőmérsékleten a folyadék molekuláiból kevesebb lehet gőzfázisban (a telített gőz sűrűsége a hőmérséklet csökkenésével csökken, lásd részletesen itt), ezért a túltelített állapot eléréséhez le kell hűteni a gáz-gőz keveréket. A túltelített gőz elkezd kicsapódni, de a kicsapódást segítik az ún. kondenzációs magok, amilyen egy elektromosan töltött ion. Ha ekkor a tartályon egy ionizáló részecske halad át, akkor a pályája mentén ionpárokat hoz létre, amikre, mint kondenzációs magokra megindul a gőz kicsapódása, így a pálya mentén apró folyadékcseppek keletkeznek, amik vékony ködfonalként már szabad szemmel is láthatók. A gáz-gőz keverék lehűtésre két fő módszert használnak, emiatt van expanziós és diffúziós ködkamra.
 

Az expanziós ködkamra

Az expanziós ködkamrában a tartályban lévő gáz-gőz keveréket hirtelen kitágítjuk (expandáltatjuk). Ez az eredeti Wilson-féle készülékben úgy történt,hogy a tartály egy vákuumozott másik tartállyal összeköthető volt; amikor a szelepet (az ábrán: valve c) kinyitották, a ködkamra tartályából a gáz-gők keverék egy része átáramlott az alacsonyabb nyomású hely felé (a vákuumozott tartályba).

Wilson eredei ködkamrája, melyen a bal felső sötétbarna henger maga a ködkamra, jobbra alul nagy méretű üvegballon pedig a vákuumtartály:

A vákuumos tartályba áramlás miatt tehát a ködkamra gáz-gőz tartalma kitágult, és mivel ez gyorsan történik, vagyis a környezettel zajló hőcserére nincs idő, így a tágulás adiabatikus. Adiabatikus tágulás során a gáz mindig lehűl, márpedig a hidegebb gáz kevesebb folyadékgőzt képes magában tartani, így a ködkamrában visszamaradó gőz mennyisége egycsapásra túl sok lett, azaz túltelítetté vált, így a fölösleg gőz ki kellett csapódjon. Ez elsősorban a megfigyelni kívánt, áthaladó részecskék által létrehozott ionokra történt, így a részecskék pályái mentén ködfonalak jöttek létre:

  

Anderson annyit módosított az elrendezésen, hogy a gáz-gőz tágulását nem egy vákuumtartályba átáramlással oldotta meg, hanem egy dugattyús részt csatlakoztatott a ködkamra tartályához, és a dugattyút hirtelen kirántva nagyon gyorsabban tudta jelentősen lehűteni a gáz-gőz keveréket. Berendezésével 1932-ben a kozmikus sugárzásban felfedezte a pozitront.

Az alábbi képen Blackett ködkamrás kísérleteiből látunk kettőt (összesen 23 ezer ilyen felvételt készített). 

A bal oldalin egy alfa-részecske ütközik egy hélium atommagjával, és pont az történik, mint mikor egy álló billiárdgolyónak nekiütközik egy mozgó. A jobb oldalin pedig egy alfa-részecske nitrogénmaggal ütközve elnyelődik benne, de egy proton kilökésével. Ez volt az első detektált mesterséges elemátalakítás, egyben a proton kísérleti kimutatása is, 1926-ban (természetesen Nobel-díjat kapott érte Blackett).

Házilag ezzel a dugattyús módszerrel a legkönnyebb ködkamrát csinálni, amihez egy fecskendő is elég:

Az ilyen berendezésben természetesen csak akkor jelennek meg a ködfonalak, amikor épp kirántjuk a dugattyút, ahogy ez a videón is látszik:

A videó végén egy hártyavékony aranyfóliával el is nyeletik az alfarészecskék nagy részét.

Az expanziós ködkamrák mindig impulzusüzemben működnek, hiszen csak a rövid kitágulásifolyamat alatt-után lesz egy kis időre túltelített a gőzt.
 

Diffúziós ködkamra

A gőz lehűtésének másik módja, ha a tartály alja jó hővezető fémből van, és alulról erősen hűtjük, például alulról nekinyomunk szárazjeget, ami kb. $-78\ \mathrm{{}^\circ C}$ hőmérsékletű. A benti gáz-gőz keverék a hűtött fémlemez közelében lehűl, és a benne lévő folyadékgőzre nézve túltelítetté válik, így a fölös gőz kicsapódik. A lehulló aprófolyadékcseppek miatt a gáztér gőztartalma csökken, ezért a hűtött lemez oldalánál lecsurgó folyadékot gyenge fűtéssel folyamatosan visszapárologtatják, hogy legyen mi kicsapódjon. A diffúziós elnevezést az indokolja, hogy a folyadékmolekulák a tartályon belül elsősorban diffúzió révén vándorolnak egyik helyről a másikra: a lenti kicsapódás csökkenti az izopropil-alkohol mennyiségét a gáztérben, és a koncentrációkülönbségek hajtják, hogy odajöjjenek újabb molekulák. Ezt a megoldást demonstrációs célra szokás alkalmazni, mert folyamatos működést tesz lehetővé, nem impulzusüzeműt.

Az alábbi videón egy diffúziós ködkamrát láthatunk működés közben:

A diffúziós típuson belül a hútést nemcsak szárazjéggel lehet biztosítani, hanem termoelektromos Peltier-hűtéssel is. Ez amiatt jobb, mert csak áram kell neki,nem kell rendszeresen szárazjeget beletölteni. Az alábbi videón megfigyelhetjük, ahogy először a gáztér alsó, hűtött lemezét bekenik izopropil-alkohollal (aminek a gőze majd a hűtéstől túltelített lesz és kicsapódik), középre berakják a rakioaktív forrást, és az üvegdoboz tetején a két hosszanti élen található szövetre is juttatnak alkoholt, hogy onnan párologva folyamatosan legyen belőle utánpótlás:

És az eredmény:

Végezetül egy igazi óriás ködkamra, amineg gázába radioaktív radongázt is töltöttek, így állandóan mindenhol zajlanak bonlások, és kiindulnak ködfonalak: