viernes, 25 de mayo de 2012

Cámara de niebla: la paradoja de ver lo invisible gracias a la niebla

Nuestra capacidad física para percibir mediante nuestros sentidos el medio que nos rodea es limitada. Hay imágenes en “colores” que son invisibles a nuestros ojos, el Universo esconde objetos tan lejanos que nuestra vista no puede alcanzarlos o tan diminutos que es imposible ver sus detalles, sin embargo, la curiosidad del hombre no tiene límites, y con ella el ingenio para expandir mediante la invención y uso de aparatos el alcance de nuestros sentidos. En este caso, trataremos de la cámara de niebla, un ingenio inventado por el físico escoses Charles Thomson Rees Wilson que permite la detección de partículas de radiación ionizante, y que le valió un premio Nobel de Física, junto con Arthur Compton, en 1927.

Un poco de historia

Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959) en sus inicios orientó sus estudios a la biología con intenciones de ser médico. Sin embargo, con ayuda de una beca ingresó en 1888 a Cambridge, en el Sidney Sussex College, donde se graduaría en 1892 y fue allí donde su vocación por la física y la química se hizo para él evidente.

En el verano de 1894, Wilson pasó unas semanas como observador meteorológico donde escaló el monte Ben Nevis, el más alto de Escocia, con el fin de estudiar el clima reinante en esa región. Fue entonces cuando quedó impactado por las formaciones nubosas y los efectos de la luz solar sobre las mismas que desde allí pudo observar. De espíritu inquieto e intelecto agudo, llevó este fenómeno al laboratorio en Cavendish, donde comenzó a experimentar en la formación de nubes.

En 1880 John Aitken (1839–1919), un ingeniero escocés, físico y meteorólogo, ya había logrado producir pequeñas nubes de agua en condiciones de laboratorio utilizando un método propuesto en Francia por Coulier y Mascart. Aitken investigaba la causa de la formación de nubes, y había logrado poner en evidencia que para que estas surgieran era necesario de partículas de polvo que sirvieran de núcleos de condensación. Si usaba aire filtrado, al no contar con la presencia de estos núcleos, las moléculas del vapor de agua no tenían donde condensarse, y por ende, no se formaban nubes en la cámara del laboratorio.


Fig. 1 - Charles Thomson Rees Wilson - Créditos de la Imagen: Wikipedia

Wilson intentó reproducir el trabajo pionero de Aitken, creando para tal fin una cámara donde concentraba aire saturado de agua y lo expandía a efectos de bajar la temperatura y estudiar el comportamiento del vapor y la formación de nubes. Fue entonces cuando sucedió algo inesperado, la cámara de Wilson tenía una capacidad de expansión superior a la de Aitken, y aun cuando el aire estaba filtrado y libre de polvo, al superar cierto límite de expansión (1,25 del volumen inicial, o lo que es lo mismo, un 1/4 más grande) se produjeron trazas de niebla, algo que hasta ese momento no se había observado.

En un principio, Wilson estimó que era producto de polvo remanente del filtrado, por lo que procedió a expandir la cámara reiteradas veces para que el mismo se condensara y se precipitara al fondo de esta, sin embargo, descubrió que sin importar cuantas veces repetía el procedimiento las formaciones de niebla continuaban sucediendo. En ese momento, arribó a la conclusión de que algún tipo de núcleo “invisible”, que no era polvo, estaba sirviendo a la condensación. Wilson pensó que estos núcleos de condensación podían ser iones, es decir átomos despojados de alguno de sus electrones. Para verificar su hipótesis repitió el experimento con la cámara de niebla utilizando una fuente de rayos X, una radiación ionizante descubierta años antes (1895) por el físico alemán Wilhelm Rontgen. Al exponer el aire saturado de agua, expandido y enfriado a esta fuente, vio como se formaba una neblina mucho más densa que cuando no se encontraba la misma, confirmando así que eran los iones los núcleos de condensación.

En 1897 repitió el experimento usando además uranio radiactivo llegando a los mismos resultados, y finalmente, para no dejar a dudas de que eran los iones los núcleos de condensación agregó un campo eléctrico alrededor de su cámara de niebla de tal forma que atrajera rápidamente a estos y la mencionada niebla no se formó.

En un principio Wilson pensó que la ionización que se producía sin la presencia de rayos X o uranio era una propiedad natural del aire, sin embargo, Víctor Franz Hess (1883–1964), físico austriaco, demostró en 1912 que la radiación atmosférica era causada por los rayos cósmicos, cuya fuente de emisión se encontraba fuera de nuestra atmósfera (de allí su nombre). Su estudios a este respecto le valdrían un premio Nobel de Física en 1936.

Thomas Wilson ya había reparado en la utilidad de su cámara de niebla como medio para el estudio de las trayectorias de partículas ionizantes, presentando sus primeras fotografiás en la Royal Society en la primavera de 1911. Adecuándola para tal fin, a efectos de no perturbar la trayectoria de las partículas estudiadas, mejoró la cámara logrando que la expansión en la misma no produjera turbulencias que afectaran a la niebla y agregó un campo eléctrico que borraba cualquier ion existente una fracción de segundo antes de tomar la fotografía.


Fig. 2 - Cámara de niebla de Wilson (1912) - Créditos de la Imagen: Enciclopedia de la Ciencia

Wilson recibió gracias a su diseño de la cámara de niebla de expansión, también denominada cámara de Wilson en su honor, y sus investigaciones en este campo, el premio Nobel de Física en 1927.

Para dar cierre a esta sección histórica, agregaremos que en 1936 el físico Alexander Langsdorf desarrolla la cámara niebla de difusión. Esta cámara difiere de la creada por Wilson en que es sensible a la radiación de forma continua ya que no debe expandirse, y que el fondo debe enfriarse a una temperatura muy baja para su funcionamiento.

Actualmente, a excepción de fines didácticos, las cámaras de nieblas han sido reemplazadas por las más modernas cámaras de burbujas. Del funcionamiento de estas ya nos encargaremos en otro artículo.

Usos de la cámara de niebla

La física de partículas tiene un problema fundamental respecto al objeto de su estudio, y es el hecho de que aun haciendo uso de lo más poderosos microscopios electrónicos, dichas partículas son tan pero tan pequeñas que no pueden ser visualizadas de forma directa. Aun cuando las teorías sean exitosas y sus predicciones se cumplan, los científicos necesitan disponer de pruebas de que estas partículas existen realmente y no son solo un artilugio matemático, y por supuesto, contar con la capacidad de estudiarlas, aprender sobre sus propiedades y corroborar o refutar hipótesis sobre ellas. He aquí donde surgen los detectores de partículas... una ingeniosa solución que es fundamental en la experimentación de esta rama de la física.

Imaginemos que somos exploradores y deseamos tener pruebas de que “pie grande” existe. Sucede que este es una criatura muy tímida, así que nos es imposible verlo directamente por lo que decidimos crear un experimento para poner de manifiesto su existencia. Para ello, nos dirigimos a un lugar que pensamos es frecuentado por la criatura y humedecemos muy bien el suelo hasta lograr que se forme barro, luego solo resta acostarnos a dormir y esperar. Al otro día volvemos al lugar y... ¡allí están!: huellas de osos, ciervos e incluso algún felino que nos cuesta reconocer... lamentablemente nada de pie grande. Pero la cuestión es, que sin haber visto estos animales hemos podido inferir su presencia, y no solo ello, si somos expertos podremos saber por sus pisadas datos como el tipo de animal, su peso, edad aproximada e incluso, en algunos casos, si eran machos o hembras. Los detectores de partículas funcionan exactamente de esa manera, aun cuando no somos capaces de ver las partículas de forma directa podemos registrar sus huellas y con ellas inferir gran cantidad de información.


Fig. 3 – Fotografías de trazas de partículas - Créditos de la Imagen: Wikipedia

El uso de la cámara de niebla ha contribuido con grandes descubrimientos en la física de partículas. En 1932, por ejemplo, existía un gran debate sobre la naturaleza de los rayos cósmicos, es decir ¿que eran estos rayos ionizantes?. Según una teoría del Premio Nobel de Física estadounidense Robert Andrews Millikan (1868–1953), estos se trataban de rayos gamma provenientes del espacio, sin embargo se comenzaban a obtener evidencias de que en realidad eran, en su mayoría, partículas muy energéticas.

En 1932 en el Instituto de Tecnología de California, haciendo uso de la cámara de niebla, el físico estadounidense Carl David Anderson (1905–1991), quien también sería galardonado con un Nobel por sus trabajos en este campo, investigaba sobre dichos rayos cuando descubrió el positrón, la antipartícula del electrón, una partícula con la igual masa que este pero carga eléctrica opuesta. La misma había sido predicha años antes, en 1928, por el físico británico Paul Adrien Maurice Dirac (1902–1984), otro ilustre personaje en la historia de la física de partículas merecedor de un Premio Nobel de Física.

Pero este no fue el fin de la historia... sino solo el principio, otros tantos descubrimientos se realizarían gracias al uso de la cámara de niebla. En 1938 Anderson y Seth Neddermeyer (1907–1988) idearon un experimento con el cual se puso en evidencia la existencia de una partícula de muy breve vida media denominada muón. Esta fue la primera partícula elemental descubierta que no pertenecía a los átomos convencionales, y había sido predicha por el Nobel físico japonés Hideki Yukawa (1907–1981) en 1935.

El uso de la cámara de niebla contribuyó al estudio de los rayos cósmicos, las partículas alfa (núcleos de helio-4), beta (electrones), rayos X, el descubrimiento de partículas nuevas como el mesón, de la antimateria sacando a la luz al positrón y la conversión de materia – energía y viceversa (y su conservación) con la aniquilación de pares electrón – positrón y la generación de dos fotones gamma. Como podemos ver, numerosos Premios Nóbeles de Física fueron otorgados gracias a investigaciones en las que la cámara jugó un papel fundamental.

Al inicio del artículo puede leerse que la cámara de niebla es un artilugio que permite la detección de partículas de radiación ionizantes... ¿pero a que se refiere con ello?. Para entender como son detectadas las partículas pasaremos a estudiar los fundamentos sobre los que se basa el funcionamiento de la cámara de niebla.

Funcionamiento de la cámara de niebla

Una radiación ionizante es aquella que al pasar por un medio tiene la energía suficiente para arrancar electrones de los átomos y por lo tanto crear iones. Este concepto es fundamental para comprender el funcionamiento de la cámara de niebla.

Aunque podemos encontrar diversos modelos de cámaras de niebla, todas ellas trabajan bajo los mismos principios básicos. Esta consiste en un entorno o recipiente cerrado, el cual contiene vapor de agua o de otra sustancia similar (por ejemplo, de alcohol isopropanol) que está superenfriado y supersaturado. Cuando una partícula con suficiente energía atraviesa el vapor, interactúa con este y lo ioniza (arranca electrones de sus átomos). Sucede entonces, que estos átomos de vapor ionizados se convierten en núcleos de condensación formando pequeñas gotas de líquido a su alrededor, es de esta forma que surge en el recipiente una estela de niebla que muestra la trayectoria de la partícula. Algo similar sucede cuando los aviones surcan la atmósfera dejando detrás de sí una traza que permite observar su trayectoria.

El estudio de las trazas de vapor permite a los científicos aprender sobre las características de las partículas que las causaron, al igual que sucedía con las huellas de los animales en el barro. Así, por ejemplo, una traza dejada por una partícula alfa es bastante recta y gruesa por el tamaño y masa de la misma. Si lo comparamos con el de una partícula beta, la traza es más fina y la trayectoria muestra cambios de dirección al ser deflectada.

Las cámaras de niebla suelen contar con algún tipo de mecanismo que les permita generar un campo electromagnético. Mediante este artilugio, se puede averiguar además si la partícula tiene carga eléctrica y de que signo es la misma. Volviendo al ejemplo anterior, si el campo magnético es generado de tal forma que atrae a la partícula beta (electrón – carga eléctrica negativa), este dibujará una curva hacia la fuente del mismo. En el caso de la partícula alfa (carga eléctrica positiva), el efecto será de repulsión y la curva se inclinará en sentido contrario. De esta forma se cuenta con una manera efectiva de poner de manifiesto sus cargas eléctricas. Midiendo el radio de curvatura, y sabiendo la intensidad del campo magnético, los científicos son capaces de inferir, por ejemplo, la velocidad a la que se desplazaba la partícula, y todo eso con solo un rastro de vapor.

Aun así, las cámaras de niebla, solo son útiles para mostrar los trazos de partículas capaces de producir la ionización del vapor de la cámara, por lo que limita su detección a partículas ionizantes (generalmente con carga eléctrica) y una cierta velocidad mínima. Ello ha llevado a la creación de otros métodos de detección que se complementan con este.

Tipos de cámaras de niebla

Básicamente existen dos tipos de cámaras de niebla, la de expansión diseñada por Wilson y la de difusión inventada por Langsdorf.

La cámara de niebla de expansión, basa su funcionamiento en producir la expansión del aire dentro de la cámara a fin de que este se enfríe y sature de vapor de agua.


Fig. 4 - Cámara de niebla de expansión (a) - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente el Universo


Fig. 5 - Cámara de niebla de expansión (b) - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente el Universo

La cámara de niebla de difusión, logra el mismo efecto de enfriamiento y saturación del vapor, generalmente de alcohol isopropanol, en el aire, enfriando el fondo de la cámara a temperaturas muy bajas, y produciendo la difusión del líquido en la zona superior de la misma, donde es más cálida.


Fig. 6 - Cámara de niebla de difusión - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente el Universo

Ambas cámaras, en sus sistemas profesionales, tienen sistemas para filtrar el aire de polvo y eliminar los iones antes de tomar fotografías del evento a estudiar. También cuentan con sistemas para generar campos magnéticos controlados y poder observar la carga de las partículas en cuestión.

Conclusiones

Es interesante ver como una investigación orientada a la formación de nubes culminó con la invención de un detector de partículas. La cámara de niebla fue una herramienta muy útil en los comienzos de la experimentación de la física de partículas, y aunque actualmente fue prácticamente reemplazada por la cámara de burbujas, aun sigue siendo de gran utilidad con fines didácticos. Aquellos interesados en crear su propia cámara de niebla pueden encontrar en Internet planos e instrucciones para poder construirla con materiales de fácil adquisición.

La cámara de burbujas es una de tantas herramientas científicas que nos permiten observar y estudiar simplemente el Universo invisible que se esconde delante de nuestros ojos...



Silvio Oreste Topa
para Simplemente... El Universo


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