Come costruire una camera a nebbia

Questo articolo spiega come creare una camera a nebbia a diffusione che rivelerà le tracce di vapore prodotte dalle particelle subatomiche. Si tratta di un modo semplice per costruire, con poche decine di euro, un rilevatore di particelle con il quale potrai vedere gli altrimenti invisibili raggi cosmici provenienti dallo spazio, pezzi invisibili di materia – spesso nuclei atomici – che si scontrano con l’atmosfera terrestre. Potresti anche vedere i decadimenti delle particelle, sotto forma di tracce che si aprono improvvisamente in due, e dunque studiare la radioattività di certe sorgenti da un punto di vista nuovo.

La camera a nebbia è un rivelatore di particelle sviluppato in origine all’Università di Berkeley, nel 1938. Questo tipo di rivelatore utilizza l’alcool evaporato per creare una “nuvola” estremamente sensibile alle particelle elementari in transito, come ad esempio i raggi cosmici “secondari”: nuclei atomici, muoni (una particella subatomica instabile che vive circa 2,2 microsecondi ed è di massa intermedia fra l’elettrone ed il protone), elettroni e positroni (il partner nell’anti-materia dell’elettrone), etc.

I raggi cosmici sono particelle che si schiantano costantemente contro la Terra provenienti dallo spazio. Quando colpiscono l’atmosfera terrestre, rilasciano una pioggia di particelle meno massicce, molte delle quali piovono invisibilmente verso di noi. Una volta ogni tanto, comunque, le tracce lasciate nella camera a nebbia staranno a testimoniare il passaggio attraverso il recipiente direttamente di una particella “primaria” di radiazione cosmica, proveniente “intatta” dallo spazio profondo.

I vari materiali occorrenti

Costruire una camera a nebbia a diffusione è facile e richiede solo pochi semplici materiali e passaggi. La fisica nucleare, dal punto di vista hobbistico, non necessita affatto di essere costosa o pericolosa. Per creare la tua camera a nebbia, avrai bisogno, in particolare, dei seguenti materiali:

  • Acquario o vaschetta trasparente
  • Un coperchio solido
  • Velluto nero (grande quanto il coperchio)
  • Un pezzo di feltro
  • Ghiaccio secco
  • Alcol isopropilico (al 90% o più)
  • Occhiali di protezione
  • Guanti protettivi spessi
  • Una torcia elettrica

Come puoi vedere dall’elenco, occorre una vaschetta trasparente in plastica o in vetro (ad esempio un acquario) con un coperchio solido (di plastica o di metallo) che fungerà da fondo. Per la copertura del fondo puoi usare un pezzo di velluto nero, il cui colore ha lo scopo preciso di creare un contrasto sul quale le tracce di nebbia prodotte dalle particelle potranno essere più facilmente osservate.

I principali materiali necessari per la realizzazione di una camera a nebbia.

L’alcol isopropilico (al 90% o superiore) è possibile reperirlo presso una farmacia o una società di fornitura di prodotti chimici o, più semplicemente, acquistandolo online (ad es. su Amazon). È utile anche per alcune esperienze di biologia – come ad esempio l’estrazione del DNA dalle cellule e in alcuni esperimenti con i batteri – quindi non può mancare nel laboratorio dello scienziato dilettante.

L’alcol isopropilico (C3H8O, noto anche come, isopropanolo) è adatto per tutti gli usi riguardanti la pulizia e lo sgrassaggio. Si tratta di una sostanza incolore e con un forte odore strettamente correlata al più familiare etanolo (C3H5OH), ovvero all’alcool che si trova nella birra, nel vino e nei superalcolici, e di cui possiede molte delle proprietà chimiche (ad esempio, è solubile in acqua e ha un basso punto di ebollizione). A differenza dell’etanolo, però, l’alcol isopropilico non è adatto al consumo umano.

Indossa sempre degli occhiali di protezione e dei guanti quando maneggi l’alcol isopropilico. Una corretta comprensione dei rischi è essenziale prima dell’esposizione all’alcol isopropilico (come pure ad altre sostanze usate in qualsiasi nostro esperimento). Irritazioni esterne della pelle e degli occhi possono verificarsi a seguito di esposizione acuta a tale sostanza. Ovviamente non va ingerito e attenzione perché, se viene a contatto con una fiamma, può provocare un incendio.

Il ghiaccio secco non ha nulla a che fare con il normale ghiaccio domestico. Si tratta infatti di anidride carbonica congelata, ed è spesso usato nei mercati del pesce e nei negozi di alimentari per mantenere i prodotti freschi, per cui potete procurarvelo tramite uno di essi. Indossate sempre dei guanti isolanti spessi quando maneggiate il ghiaccio secco, perché trovandosi a una temperatura di circa -78 °C vi ustionerebbe. Dunque, capite bene che il ghiaccio comune non può andar bene in questo esperimento.

Non toccate mai il ghiaccio secco a mani nude o vi ustionerete seriamente.

Come creare e usare il rivelatore

Innanzitutto, taglia il feltro in modo che sia della dimensione del fondo dell’acquario o della vaschetta trasparente che intendi utilizzare. Incollalo poi dentro il serbatoio, sul fondo (dove normalmente nell’acquario andrebbe la sabbia). Una volta fissato il feltro, imbevilo di alcool isopropilico fino a quando non è saturo. Dopodiché, elimina l’eventuale eccesso di alcool.

Posiziona poi il coperchio dell’acquario o vaschetta sopra il ghiaccio secco, in modo che sia orizzontale (vedi la figura per aiutarti). Si potrebbe desiderare avere il ghiaccio secco in un contenitore o in una scatola di altezza e larghezza opportuni, in modo che sia più stabile. Capovolgi a questo punto l’acquario o la vaschetta, in modo che il fondo coperto di feltro del serbatoio sia ora in cima, e posiziona la bocca dell’acquario esattamente sulla parte superiore del coperchio.

Le varie fasi della realizzazione di una camera a nebbia del tipo a diffusione.

Si noti che una versione più piccola e spartana della camera a nebbia può venire realizzata anche ancorando un disco di carta assorbente intriso di normale alcool etilico al fondo di un barattolo, avvitando poi il coperchio al barattolo e quindi applicando il recipiente in questione, capovolto, su di un blocchetto di ghiaccio secco, in modo che la disposizione risulti quella vista in precedenza.

Indipendentemente dal tipi di camera a nebbia che sceglierai di realizzare, a questo punto aspetta circa 10-15 minuti, poi spegni le luci e fai brillare una torcia elettrica dirigendola verso il tuo acquario o vaschetta. Quando un raggio cosmico passerà attraverso la nebbiolina che nel frattempo si sarà creata nella tua camera a nebbia, creerà delle tracce di particelle che sono visibili ad occhio nudo. Lo stesso succede se avvicini alla camera una sorgente debolmente radioattiva.

La camera a nebbia va illuminata con un potente fascio di luce a 120° da dove guarderemo.

È probabile che non si possa vedere nulla almeno all’inizio, anche se le particelle che debbono determinare la formazione delle tracce sono presenti. In tal caso, si tratterà di attendere, aspettando il miglioramento della situazione. Dopo un certo tempo, si sarà stabilito il necessario gradiente di temperatura e le particelle di polvere saranno scomparse, al che si avrà la possibilità di osservare le tracce di vapore, quando si guarderà verso il basso, nel recipiente, nella direzione da cui arriva la luce della torcia.

A un certo punto, ad intervalli di alcuni secondi, una netta – seppur provvisoria – traccia di vapore apparirà in prossimità del fondo del recipiente, ovviamente nel suo interno: la maggior parte di queste tracce sono prodotte dalle particelle subatomiche espulse continuamente dalle sostanza radioattive che, pur in tracce piccolissime, si trovano dappertutto; oppure sono determinate dai frammenti degli atomi di gas che compongono l’aria, colpiti dai raggi cosmici, di cui è nota l’elevata energia.

In particolare, le tracce di nebbia prodotte dal percorso di particelle beta – che, come è noto, sono semplici elettroni – sono molto più sottili di quelle delle più pesanti particelle alfa (nuclei di elio), e quindi sono più difficili da vedere, ma possono ugualmente essere osservate, specie quando le tracce prodotte dalle particelle alfa si siano dissipate. A questo punto ti chiederai, probabilmente, come tutto ciò sia possibile: cosa diavolo sta succedendo nella tua camera a nebbia?

Esempi di tracce di particelle visibili in una camera a nebbia autocostruita.

Il principio di funzionamento

Il recipiente chiuso ed a tenuta è disposto in una condizione per la quale la sua estremità superiore è calda e quella inferiore molto fredda. Ciò dà luogo alla produzione di una brusca variazione di temperatura nell’interno del recipiente stesso, con il liquido alla sommità quasi a temperatura ambiente ed il fondo, invece, quasi a una temperatura di -70 °C. Perciò, alla sommità del recipiente vi è del liquido (l’alcool) in corso di evaporazione e che lentamente si disperde nell’aria.

Ma quando l’alcool evaporato si abbassa dirigendosi verso il ghiaccio secco, si raffredda e diventa più saturo man mano che si muove, ed in pratica vuole tornare liquido. L’aria vicino al fondo della vaschetta è dunque detta “supersatura”, il che significa che si trova appena sotto il suo punto di rugiada. E proprio come le molecole d’acqua si aggrappano ai fili d’erba nelle fresche mattine autunnali, in quella zona l’alcol formerà goccioline simili a mini-nuvole su tutto ciò a cui può aggrapparsi.

Quando una particella elementare passa attraverso la camera a nebbia, si scontra con le molecole d’aria e respinge alcuni dei loro elettroni, trasformando le molecole in ioni carichi. L’alcool atmosferico è attratto da questi ioni e si aggrappa ad essi formando minuscole goccioline. I “binari” risultanti lasciati alle spalle da queste particelle sembrano delle scie – caratterizzate per lo più da linee lunghe e sottili – che tracciano il percorso della particella attraverso la tua camera a nebbia.

L’effetto della radiazione ionizzante quando entra nella camera a nebbia: strappa gli ioni dalle molecole di alcool (a) e queste molecole diventano nuclei di condensazione (b).

Pertanto, se queste condizioni vengono mantenute e se la zona del recipiente vicina al suo fondo, che risulta sensibile per le sue condizioni di sovra saturazione, viene illuminata adeguatamente, le radiazioni che entrano continuamente nel recipiente trasparente potranno essere osservabili dallo scienziato dilettante, come con qualsiasi altro strumento di ricerca simile realizzato in passato.

La camera a nebbia a diffusione qui descritta si può considerare una versione moderna della camera di Wilson, inventata nel 1899 da Charles T.R. Wilson, un eminente fisico inglese il quale sviluppò una camera a nebbia a espansione che sfruttava il vapore acqueo – anziché l’acool – sovrasaturo per mostrare le tracce delle particelle. Anche in quel caso, se delle particelle subatomiche o dei nuclei atomici attraversavano la camera, il vapore in eccesso si condensava su di esse, producendo una nebbia.

Mentre stava sperimentando con questa camera, Wilson osservò il determinarsi di due effetti che parevano agire in opposizione. L’esposizione della camera ai raggi X facilitava la formazione di piccole gocce in numero estremamente grande, che potevano essere viste meglio quando attraversate dal fascio intenso di un raggio di luce. Inoltre, abbassava il livello di dilatazione del pistone, che in quel tipo di camera (a espansione) necessitava per la produzione della nebbia.

La camera a nebbia di Wilson, che era del tipo a espansione.

Inversamente, introducendo nella camera due placche metalliche caricate con polarità elettrica opposta, egli trovò che questa presenza poteva determinare l’inibizione della formazione della nebbia. Inoltre, le nebbie determinate dai raggi X svanivano nello stesso istante in cui alle placche metalliche interne della camera veniva applicata la differenza di potenziale, il che era un evidente riprova che ciascuna delle goccioline poteva trasportare una piccola carica elettrica.

Durante questi esperimenti, Wilson notò che la repentina formazione di alcune “tracce” nell’interno della camera: sottili filamenti di vapore che apparivano nel fascio di luce come fili scintillanti. Infine, questi segni vennero identificati come goccioline formate sulle molecole di gas elettrizzate nel percorso dei veloci frammenti derivati dalla disintegrazione degli atomi di uranio. Perciò, anche la nostra camera a nebbia è in grado di mostrare molti degli effetti osservati da Wilson.

Alcuni consigli utili al dilettante

L’intervallo fra il momento del termine della costruzione di una camera a nebbia ed il momento in cui questa comincia a funzionare può essere abbreviato se vengono curati opportunamente i seguenti dettagli:

  • Il contenitore deve essere sufficientemente ermetico dal punto di vista della tenuta. Un recipiente ad imboccatura larga, completata con un coperchio metallico a vite con guarnizione, funziona certamente meglio di un recipiente che poggi semplicemente su una superficie, sia pure regolare. Se viene adottata quest’ultima disposizione, si tratta di inumidire con alcool la piastra metallica, allo scopo di formare una guarnizione liquida ermetica.
  • L’importanza dell’illuminazione laterale non deve essere esagerata. Il fascio di luce prodotto da un proiettore da diapositive può costituire un adeguato sistema di illuminazione. Il fatto importante è che siano illuminate le singole goccioline, a confronto della zona circostante, lasciata in relativa oscurità. Dunque, il fascio deve essere potente ma con un cono di luce non troppo aperto, e ciò influenzerà la scelta della torcia o del sistema di illuminazione più adatto.
  • Occorre imparare a individuare le tracce filamentose di vapore, o meglio di goccioline condensate, non appena queste appaiono. Ben presto, dopo che l’apparato sarà entrato un funzione, si formerà una sorta di nebbiolina all’altezza di 50-70 mm dal fondo del recipiente, ed una specie di pioggia prenderà a cadere dalla nebbia stessa. Questo fenomeno risulterà accentuato se il fondo di velluto applicato alla camera sarà stato inumidito con dell’alcool. La pioggia sarà facile da riconoscere e distinguere dai filamenti delle tracce prodotte dalle particelle subatomiche, che appariranno come fili argentei nel mezzo della pioggia stessa. Tali filamenti rimangono distinti per un secondo circa, prima di svanire come piccole nuvole di fumo.

Tracce di particelle alfa visibili in una camera a nebbia realizzata con una capsula di Petri e una sorgente radioattiva posta in cima a uno spillo, oltre che con alcool e ghiaccio secco.

  • Se si usa, come camera, un recipiente capovolto, è opportuno incollare il tampone di feltro (o di cartone) intriso di alcool alla faccia interna del fondo, ed incollare invece il disco o il rettangolo di velluto alla superficie interna del coperchio. La colla deve essere lasciata riposare il tempo necessario per seccare completamente (ad es. un giorno), altrimenti questa, ed il solvente in essa contenuto, potrebbero andare ad inquinare l’alcool e compromettere l’esperimento.
  • Va ricordato che deve esservi una netta differenza di temperatura fra la sommità ed il fondo della camera, dell’ordine di 65 °C. Pertanto, il complesso potrebbe essere disposto direttamente su un blocco di ghiaccio secco; in tal caso, un fondo-coperchio di metallo, a causa della sua maggiore conduttività termica, opera assai meglio di una lastra di plastica o di vetro. Il ghiaccio secco, invece, dovrebbe poggiare su un materiale adatto all’isolamento termico, quale il cartone ondulato e il polistirolo. Inoltre, la porzione del blocco di ghiaccio secco che risulta non coperta dal recipiente appoggiato su di esso, deve essere coperta con uno straccio spesso, allo scopo di impedire che i vapori freddissimi si elevino lungo le pareti esterne della camera, disturbando così l’osservazione dei percorsi delle particelle nell’interno di questa.
  • Dato che il metallo risulta un conduttore termico più efficiente del vetro, la suddetta differenza di temperatura può essere accentuata costruendo una camera a nebbia metallica. Ad esempio, usando un barattolo (ad es. di 15 c di diametro) di cui si verniceranno di nero opaco le superfici interne e nel quale si taglieranno, una sopra l’altra, tre finestrelle rettangolari con base più larga dell’altezza (ad es. 25 x 75 cm), aventi la funzione di permettere il passaggio alla luce di illuminazione e di oblò per l’osservazione. Sulle finestre si possono incollare delle striscette di cellophan, e lungo i bordi delle finestrelle di cellophan si possono applicare delle strisce di plastica autoadesiva per assicurare la tenuta ermetica del recipiente.
  • Un tampone di cartoncino, ben intriso, contiene un quantitativo di alcool sufficiente per tenere in funzione la camera a nebbia per circa 8 ore. (un blocco di ghiaccio secco dello spessore di 5 cm ha, al più, una durata di circa 18 ore). Come è stato accennato in precedenza, la piastra di metallo che fa da fondo al recipiente deve essere inumidita ma non inondata con l’alcool, in quanto uno strato di alcool di spessore eccessivo tende a ridurre lo spessore della zona sensibile della camera a nebbia, per cui occorre trovare un compromesso.
  • È facile bloccare il funzionamento della camera con un materiale fortemente radioattivo. Il quantitativo pur minimo di materiale luminescente radioattivo presente sulle lancette a quadrante fosforescente di orologi molto vecchi (ad es. degli anni Quaranta) riesce a bloccare il funzionamento della camera da una distanza di 45 cm. Ne deriva che, per gli esperimenti, occorre usare solo delle tracce minime di materiale radioattivo, riducendone semmai la concentrazione diluendole con materiali inerti, coma ad es. la massa cremosa di un adesivo a base di cellulosa.

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