La física de las partículas empieza su expansión en 1912. Fue con el invento del primer dispositivo de detección de las partículas atómicas, la cámara de Wilson. Los progresos que la física realizó a principios del siglo XX, están estrechamente relacionados con el desarrollo de los instrumentos. En CurioSfera-Ciencia.com, te explicamos las características de la cámara de niebla de Wilson.
Quién inventó la cámara de Wilson
La cámara de Wilson fue inventada por el físico escocés Charles Thomson Rees Wilson en 1912. Esta técnica hace posible verla trayectoria de las partículas cargadas cuando se desplazan por un gas que se somete a radiaciones ionizantes.
El gas, saturado de vapor de agua, se enfría bruscamente y se expande, lo que provoca que el vapor se condense sobre los iones producidos por el paso de las partículas a través de la cámara. Entonces, las gotitas de líquido revelan las trayectorias de las partículas, y si se ilumina estas gotas correctamente, incluso pueden fotografiarse. A Wilson se le ocurrió la idea de este procedimiento durante una estancia de varias semanas que pasó antes de 1895 en una estación meteorológica de Escocia.
Él mismo describió las reflexiones que hacía en aquella época: «Los maravillosos fenómenos ópticos que se manifestaban cuando el Sol dirigía sus rayos sobre las nubes que sobrevolaban la colina y, en concreto, los círculos coloreados que aparecen alrededor del Sol o los que rodean la sombra que la montaña y el observador proyectan sobre la niebla o sobre una nube atizaron mi curiosidad y me hicieron desear imitarlas en el laboratorio.»
Origen de la cámara de niebla
Los primeros intentos de Wilson datan de 1895 y le llevaron a constatar que es posible provocar la condensación de pequeñas gotas de agua sobre iones.
En 1910 decide emplear este método para hacer visibles las trayectorias de las partículas ionizantes, cuya existencia había sido revelada por las investigaciones sobre los rayos X y la radiación de elementos radiactivos en estado natural.
Wilson construye su cámara de expansión en 1912 y a continuación mejora su eficacia estableciendo un campo magnético dentro de la cámara para provocar la cuvatura de las partículas ionizantes y medir su nivel de energía y su signo.
También introduce la técnica que consiste en colocar una o más placas de metal en la cámara para obtener informaciones complementarias sobre las partículas cuando éstas la atraviesan: desintegración del núcleo de una placa, desviación de las partículas, producción de un haz de electrones, pérdida de energía.
Para la mayor parte de físicos, la cámara de Wilson es uno de los dispositivos más destacados de la historia de la física experimental en virtud de la simplicidad de su concepción y su capacidad para hacer visible el universo subatómico. En opinión de Louis Lepnnce-Ringuet, «conseguir fotografiar la trayectoria de un electrón con sólo dos intermediarios, a saber, los iones y las gotas de neblina, es simplemente un prodigio».
Para el físico inglés Patrick Blackett, que en 1931 mejoró muy sensiblemente el funcionamiento de la cámara de Wilson con la ayuda del físico Occhialini, «quizá jamás, en toda la historia de la ciencia, un dispositivo de una simplicidad tan ingenioso haya producido una cosecha tal de descubrimientos importantes».
Los hallazgos de la cámara de Wilson
Los hallazgos que comportó este invento son de un alcance considerable para la física moderna. Entre otros destacamos:
- Gracias a una cámara de Wilson se pudo fotografiar los núcleos atómicos y confirmar definitivamente la existencia del fenómeno que Ernest Rutherford descubrió en 1919.
- Gracias también a este dispositivo, Wilson pudo hacer visibles los procesos de absorción de los rayos X y de los rayos gamma.
- Se pudo verificar de un modo experimental el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton.
- En 1932, Cari Anderson descubrió el positrón mientras estudiaba el comportamiento de los rayos cósmicos en una cámara de Wilson.
- También en 1932, los físicos Blackette y Occhalini ofrecen la primera demostración experimental de la teoría de la transformación de la radicación en materia (e = mc2). Demuestran que los positrones observados en las cámaras de Wilson se originan cuando se producen colisiones suscitadas por los rayos cósmicos altamente energéticos.
- La identificación del neutrón, llevada a cabo por James Chadwik en 1932. Un descubrimiento de consecuencias teóricas y prácticas incalculables.
- El descubrimiento de los mesones positivos y negativos
- La observación de la desintegración espontánea de un mesón en electrón
- El descubrimiento de los mesones tau positivos y negativos.
Evolución de la cámara Wilson
La cámara de niebla fue evolucionando y mejorada con el paso de los años. Finalmente, desde 1947 dos nuevos dispositivos de detección han sustituido las cámaras de Wilson. Se trata de las emulsiones nucleares y de las cámaras de burbujas.
Las emulsiones nucleares
El físico Cecil Frank Powell introdujo esta técnica en 1947. Cuando una partícula ionizante rápida producida, por ejemplo, durante una desintegración radiactiva o bajo el efecto de un rayo cósmico, choca con una emulsión fotográfica especialmente preparada, impresiona una sucesión de granos a lo largo de su trayectoria.
Una vez se ha revelado en cliché, se puede visualizar el rastro del paso de la partícula. Como ésta es invisible a simple vista debido a las reducidísimas dimensiones de la partícula y de los granos que ha impresionado (sólo una fracción de micrón), se debe observar el cliché en el microscopio. Entonces se puede determinar la naturaleza, la carga eléctrica y la masa de la partícula según la forma y la intensidad del rastro que ha dejado.
La cámara de burbujas
Este dispositivo sustituye el vapor de agua de la cámara de Wilson por un líquido. Generalmente, se trata de hidrógeno líquido que se ha calentado por encima de su punto de ebullición normal y que alcanza un estado de sobrecalentamiento cuando se le dilata.
Entonces se forman burbujas de vapor sobre los iones producidos por el paso de las partículas cargadas y la trayectoria de las partículas se hace visible. La cámara de burbujas fue inventada por el físico estadounidense Donald Glaseren 1953.
Ofrece importantes ventajas respecto a la cámara de Wilson, principalmente un aumento de la sensibilidad. Pero también mejor resolución espacial y mejor sincronización entre la llegada de la radiación ionizante y la dilatación del líquido. Este dispositivo es el que se utiliza hoy en los laboratorios de física.
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