El rincón de la Ciencia    I.S.S.N.: 1579-1149   nº 50, junio 2009
La cámara de niebla: Partículas de verdad (PR-78)
Francisco Barradas

 

A mucha gente le da la impresión de que esas partículas de las que oímos hablar en los medios o en la escuela son menos reales que los coches o las piedras y no es así, al menos cuando se trata de los electrones, protones, muones, fotones... que los físicos detectan cada día y cuyas energías y momentos miden.

Quizá la mejor forma de convencerse sea 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.

 

Este detector, llamado cámara de niebla, es una caja herméticamente cerrada en cuyo interior hay una mezcla de vapor de alcohol y aire. El fondo de la cámara se mantiene tan frío (por contacto con CO2 sólido, hielo seco) que hay una capa con vapor por debajo de su temperatura de condensación, en un estado inestable en el que sólo hace falta una perturbación para que empiecen a formarse gotas de alcohol líquido.

El paso de partículas cargadas de suficiente energía que atraviesan la cámara (muones de los rayos cósmicos secundarios, por ejemplo) da lugar a iones que actúan como núcleos de condensación sobre los que crecen las gotas de alcohol.

Así se forman estelas de niebla (de alcohol), muy parecidas a las de los aviones, a lo largo de las trayectorias de las partículas.

 

Detalles

 

A continuación se se describe con más detalle cómo construir y hacer funcionar la cámara. Muchos de los consejos están basados en la práctica (cámaras que hemos construido y han funcionado) y en la tradición (lo hicimos así porque así la habían hecho otros antes...).

Quizá se pudieran sistematizar y justificar estas instrucciones pero, de momento, si lo que queremos es ver trazas de partículas de verdad quizás no merezca la pena. Como de todos modos habrá quien quiera investigar más, al final se da una bibliografía básica de la que partir.

Montaje de la cámara

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.

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 como indica la figura. Estas tiras se empaparán luego en isopropanol (así que cuidado con la elección del pegamento...).

 

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).

Es muy importante que la cámara sea hermética, lo que se puede conseguir poniendo una tira de burlete de goma (con un perfil similar al de la figura) y uniéndola al cuerpo de la cámara con cinta (conviene unir no sólo el cuerpo con la base 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).

Finalmente, se debe cubrir la parte de la chapa metálica que da al interior de la cámara de cinta aislante de color negro mate para aumentar la visibilidad de las trazas.

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.

Funcionamiento

Si se mantiene un gradiente de temperatura suficientemente pronunciado entre el fondo y la superficie superior de la cámara a la vez que se garantiza la difusión de vapor desde la superficie más caliente a la más fría a través de un gas inerte (que aquí es aire), será posible obtener una capa, próxima al fondo en nuestro caso, de vapor sobresaturado. Las temperaturas deben ser tales que en esa capa sensible se pueda producir condensación sobre los iones que forman al pasar las partículas cargadas de energía suficiente. Este es un procedimiento para conseguirlo:

Tras haber empapado de isopropanol el fieltro (con una jeringa, por ejemplo, y generosamente), se cierra la cámara de forma estanca tal como se ha indicado y se coloca sobre el hielo seco.

Para conseguir un gradiente de temperatura apropiado, la chapa metálica que forma la base de la cámara debe colocarse horizontal y en muy buen contacto térmico con el hielo seco (que estará a su temperatura de sublimación a presión atmosférica, unos -79 ºC), por lo que hay que usarlo pulverizado o en forma de placas o fragmentos pequeños, como granos de arroz. Si se emplean otras presentaciones típicas (como los cilindros del orden de un centímetro de diámetro y varios de altura) es posible que la temperatura de la base no sea suficientemente baja.

Por el contrario, la parte superior de la cámara, donde está depósito con el alcohol líquido (un fieltro empapado en nuestro caso) se debe mantener caliente (para tener un buen ritmo de evaporación), evitando utilizar la cámara en ambientes fríos y -si es necesario- calentándola con una lámpara halógena, por ejemplo.

Tras dejar la cámara así montada durante unos diez o quince minutos, se debería empezar a ver trazas en la región sensible, cerca del fondo de la cámara si la iluminación es la apropiada, como la de un proyector de diapositivas e incluso una lámpara halógena de escritorio dirigidos hacia el fondo con un ángulo pequeño. Si todo funciona bien y con estas dimensiones, habría que esperar del orden de una traza por segundo.

¿Y si no se ve nada?

Habrá que comprobar que han pasado esos quince minutos, que la cámara es estanca y su fondo está bien iluminado, que la parte superior no está muy fría pero el fondo sí (¿qué tal el contacto de la chapa con el hielo seco?)...

Si aún así no funciona y sólo se ve una niebla muy densa de gotitas de alcohol (al principio es normal ver una ligera niebla como esta), se puede probar a abrir la cámara, dejar salir algo de la niebla y volver a cerrarla. Y si aún eso falla, habrá que pensar en hacer la cámara algo más alta o algo más baja (la altura es un parámetro importante; véase la bibliografía que cito más abajo, pero no es fácil ser más preciso).

Y si se ve algo, ¿qué se ve?

Cualquier partícula cargada de suficiente energía puede dejar su rastro en la cámara, pero con esta configuración lo más probable es que se trate de muones de los rayos cósmicos secundarios. También será posible ver alguna traza de partículas de la radiactividad ambiental, por ejemplo electrones.

Una de las mejores cosas que nos puede pasar es ver una traza que súbitamente cambia de dirección. Eso no es posible sin que haya sucedido algo (¡el momento lineal se conserva!) y una de las posibilidades es que un muón se haya desintegrado en un electrón y dos neutrinos dentro de nuestro detector.




Tampoco está mal del todo una traza que en un punto se bifurca, ya que eso podría suponer la colisión de un muón con un electrón atómico que de este modo es arrancado (figura de la derecha).

Una traza con múltiples cambios de dirección podría corresponder a una partícula de baja energía (como un electrón de la radiactividad beta ambiental...) teniendo múltiples colisiones atómicas en la cámara.

NOTAS

¿Por qué esas dimensiones? (sobre todo la altura)

Ya lo he dicho antes; la gente lo aconseja así y así lo hemos probado con éxito. Eso no quiere decir que sean las únicas posibles, pero en principio la altura de la cámara influye sobre el gradiente de temperatura y la evolución del alcohol que se evapora (ver bibliografía), así que hay que estar preparados para que no cualquiera funcione igual de bien y de hecho hay informes de gente que dice que si el depósito de alcohol está muy alto, la cosa no marcha. Todo se complica aún más al tener en cuenta que la temperatura de la parte superior de la cámara (o mejor aún, los detalles del gradiente) también influye de manera “no trivial”...

¿Por qué isopropanol y no alcohol normal ?

Es fácil deducir el motivo de usar un alcohol como etanol, metanol o incluso nuestro isopropanol. 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, para empezar.

Por ahí (¿y la referencia?) se puede leer que lo mejor es usar etanol bastante puro “por su baja tensión superficial y su baja relación presión de vapor / presión de saturación” y que estas cifras son algo peores para el metanol y el isopropanol (que sin embargo otros recomiendan...) pero que estos se pueden usar a falta del primero ¡como si fuera más difícil conseguir etanol más o menos puro...!

NOTA SOBRE LOS MATERIALES

En muchas ciudades grandes es fácil comprar hielo seco, que no resulta muy caro, en los polígonos industriales donde se encuentran proveedores de Air Liquide, Carburos Metálicos, etc. Además, es posible encontrar empresas (como BDP Frío) que lo sirven en muchas otras ciudades (bastante más caro). Con unos cuantos kilos podemos hacer una sesión de varias horas. Hay que tener algo de precaución con el hielo seco (CO2 sólido) a causa de su baja temperatura.

El alcohol (de cualquiera de los tipos mencionados) es barato y bastante más fácil de conseguir. Sobre el resto de los materiales no hay nada que decir.

 

BIBLIOGRAFÍA

En primer lugar hay que mencionar a la página de Andrew Foland,

http://www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html

que es donde mucha gente (como yo) ha aprendido a construir cámaras de niebla caseras, pero si se quiere profundizar, es mejor recurrir a los clásicos, que estudiaron este instrumento cuando aún se utilizaba en investigación (nuestro modelo, la “cámara de niebla de difusión continuamente sensible” lo inventó Alexander Langsdorf hacia 1936). Por ejemplo:

"On the Operation of the Diffusion Cloud Chamber”. C. Succi; G. Tagliaferri, Nuovo Cimento, 9, 1092 (1953)

Continuously Sensitive Diffusion Cloud Chambers”. E. W. Cowan, Rev. Sci. Instrum. 21, 991 (1950)

"On Diffusion Cloud Chambers”. H. Slätis, Nuclear Instr. 1, 213 (1957)

Y para los rayos cósmicos, en español, se puede echar un vistazo al artículo publicado por F. Arqueros en la revista “A Distancia” de la UNED, primavera 1994 (disponible aquí: http://www.gae.ucm.es/fisica/report.html y sólo algo anticuado en su segunda parte, dedicada a las técnicas de observación). Para hacer unos números sobre lo que se puede ver -o no- y si merece la pena poner un imán potente en la cámara... un buen sitio es el la sección de rayos cósmicos de la 2008 Review of Particle Physics [C. Amsler et al., Physics Letters B667, 1 (2008)], disponible aquí: http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/contents_sports.html

 

Otros EXPERIMENTOS

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