Física atómica y nuclear

Física nuclear Visualización de trayectorias de partículas

LD Hojas de Física

P6.5.1.1

Visualización de las trayectorias de partículas α en la cámara de Wilson

Objetivos del experimento Sobresaturación de una mezcla de aire y vapores de agua y alcohol mediante una expansión adiabática en una cámara

de Wilson.

Observación de las trayectorias de partículas α provenientes de una fuente puntual. o bien

Observación de las trayectorias de partículas α provenientes de una fuente distribuida por toda la cámara.

Fundamentos Con la cámara de Wilson según Schürholz (cámara de niebla) pueden visualizarse las trayectorias de partículas α. Las radiaciones β y γ tienen, en comparación con las α, una capacidad de ionización muy inferior y no son adecuadas para este experimento. En la cámara hay una mezcla saturada de aire y vapores de agua y alcohol. Mediante una expansión adiabática provocada con ayuda de una bomba de evacuación, puede enfriarse por un corto lapso y ser llevada, entonces, al estado de sobresaturación. Esto hace que el vapor se condense en forma de pequeñas gotas de niebla, lo cual es favorecido por gérmenes de condensación. Los iones, por ejemplo aquellos surgidos por colisiones entre partículas α y moléculas de gas en la cámara de niebla, son gérmenes de condensación especialmente adecuados. Luego de accionar la bomba de evacuación, el vapor sobresaturado se condensa súbitamente en torno a los gérmenes de condensación a lo largo de las trayectorias de las partículas α hasta formar Fig. 1 Trayectorias de partículas α en la cámara de Wilson a) desde una fuente puntual (preparado de radio)

pequeñas gotas de niebla visibles por hasta dos segundos con una luz que incide de costado. Un campo eléctrico en la cámara limpia ésta de los iones restantes. Para el experimento puede usarse un preparado de radio o de torio a modo de emisor α: El preparado de Ra 226 se coloca en la cámara de Wilson. El preparado está dentro de un cilindro hueco abierto de un lado, de cuya abertura salen las partículas α como desde una fuente puntual. El Ra 226 decae, con una vida media de 1622 años y emitiendo partículas α de energía de decaimiento Eα = 4,78 MeV, en Rn 222.

b) desde una fuente distribuida por toda la cámara (preparado de torio)

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P6.5.1.1 LD Hojas de Física Equipo

1 cámara de Wilson según Schürholz ......................559 57 1 preparado de radio para la cámara de Wilson.......559 59

o bien 1 recipiente con sal de torio......................................546 36 1 fuente de alimentación 450 V ................................522 271 carcasa de lámpara ...............................................450 601 lámpara, 6 V/30 W.................................................450 511 condensador esférico ............................................460 201 transformador, 6 V~,12 V~/30 VA..........................562 73 1 mordaza de mesa..................................................301 061 base.......................................................................300 11 1 etanol completamente diluido, 1l .........................671 972o bien metanol, 1l..............................................................673 272 1 par de cables, 100 cm, rojo y azul .........................501 46 agua destilada además se recomienda: 1 frasco con tapa a rosca por ej., frasco de polietileno, 250 ml .......................661 222

El Rn 220 gaseoso, producto de decaimiento, sale del recipiente con sal de torio y es bombeado, a través de una válvula, dentro de la cámara de Wilson, en cuyo interior se expande. Allí pueden observarse rastros de niebla que se expanden en diversas direcciones. El Rn 220 decae, tras su vida media de 55,6 segundos, en Po 216, emitiendo partículas α de energía de decaimiento Eα = 6,28 MeV. Montaje Preparación de la mezcla de agua y alcohol: - Preparar aproximadamente 200 ml de mezcla de alcohol y

agua con 50 % de metanol o etanol y 50 % de agua pura en el frasco de polietileno.

Montaje de la cámara: Indicación: La condensación del vapor saturado por expansión sólo puede tener lugar en los iones generados por partículas α y no en partículas de polvo que eventualmente puedan encontrarse. Mantener el interior de la cámara libre de polvo y lavar en todo caso con agua destilada. El montaje del experimento se muestra en la figura 2. Indicaciones para la seguridad

Para manipular preparados radiactivos deben tenerse encuenta disposiciones propias de cada país. En laRepública Federal de Alemania se trata del reglamentoalemán de protección contra la radiación ionizante(StrlSchV). Las sustancias radiactivas usadas en elexperimento han recibido la homologación de productopara enseñanza escolar según el StrlSchV. Dado queestas sustancias producen radiación ionizante, deben sermanipuladas atendiendo a las siguientes medidas deseguridad:

Proteger los preparados para que las personas noautorizadas no tengan acceso a ellos.

Previo a su uso, verificar que los preparados esténintactos.

Para garantizar un tiempo de exposición lo más cortoposible, extraer el preparado de radio del recipiente deprotección sólo para realizar el experimento;análogamente, abrir la abrazadera de manguera delrecipiente con sal de torio sólo para efectuar elexperimento.

Para asegurar la mayor distancia posible al preparadode radio, tomarlo sólo de la aguja de fijación.

Para blindar el preparado de radio, conservarlo dentrodel recipiente de protección.

Para garantizar que la actividad sea la menor posible,depositar sobre la mesa de experimentación sólo elpreparado necesario para cada experimento.

- Fijar la mordaza de mesa a una mesa estable y sujetar el tubo guía en dicha mordaza de manera de poder manejar la bomba de evacuación (ver figura 2 e instrucciones de uso para la cámara de Wilson).

- Sostener la tapa de la cámara con una mano y abrir con la otra los retenes, retirar la tapa de la cámara y extraer la placa del fondo.

- Humedecer bien el recubrimiento de fieltro de la placa del fondo con la mezcla de alcohol y agua, pero no dejar que se empape completamente.

- Colocar la placa del fondo con las bases sobre el anillo de obturación de goma. Procurar que el anillo de obturación repose uniformemente sobre el borde del fondo de la cámara.

Variante a) Utilización del preparado de radio: - Extraer el preparado de radio para cámara de Wilson (559

59) teniendo en cuenta siempre las instrucciones de seguridad. Extraerlo del recipiente de vidrio y colocarlo sobre el soporte de la placa del fondo.

- Colocar la tapa de la cámara con el anillo de obturación de goma bien puesto y cerrarla con los retenes. Verificar la hermeticidad de la cámara accionando brevemente la bomba de evacuación mediante la manija (si no está hermética habrá un poco de resistencia durante la expansión o se escuchará un silbido). Lubricar eventualmente el anillo de obturación de goma (por ejemplo, con grasa de vacío o una gota de aceite espeso) y volver a cerrar la cámara.

- Para desionizar la cámara, aplicar una tensión continua de aproximadamente 150 V o más.

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LD Hojas de Física P6.5.1.1 Instalación lumínica:

Indicación: Un calentamiento intenso unilateral de la cámara puede causar convecciones perturbadoras: No colocar la lámpara muy cerca de la cámara de Wilson.

- Fijar la carcasa de la lámpara junto con la lámpara y el condensador esférico a la base y ubicar a aproximadamente 15 cm de la cámara de Wilson. Ajustar la lámpara de tal manera que se encuentre a la altura de la ventana de observación de la cámara.

- Conectar la lámpara al transformador (U = 6 V). - Colocar el filamento de la lámpara en posición horizontal y

producir un haz luminoso paralelo o ligeramente divergente que pase horizontalmente por la cámara.

Variante a) Utilización del preparado de radio: - Colocar la lámpara de manera que la cámara sea iluminada

en todo el largo posible de la trayectoria esperada para las partículas α.

Realización - Luego de haber cerrado la cámara, esperar por lo menos

10 minutos hasta comenzar la realización del experimento, a fin de que se forme una mezcla saturada de aire y vapores de agua y alcohol dentro de la cámara.

Variante b) Utilización del preparado de torio: - Reemplazar la tetilla de goma del recipiente con sal de torio

(546 36) por la manguera con abrazadera. - Retirar la cubierta sellada de la válvula de aireación de la

cámara de Wilson y empujar la manguera del recipiente que contiene la sal de torio hasta la tuerca racor de la válvula de aireación (ver figura 2 e instrucciones de uso de la cámara de Wilson).

- Inyectar el radón hacia la cámara de niebla presionando fuertemente y varias veces el frasco de plástico cuando la abrazadera de manguera se encuentra abierta (este proceso puede estar acompañado del accionar cuidadoso de la bomba de evacuación).

Fig. 2 Montaje del experimento a) Utilización del preparado de radio

Debido a la corta vida media del radón (55,6 segundos), llevar a cabo los siguientes pasos velozmente: - Cerrar la abrazadera de manguera, quitar la manguera de

la válvula de aireación y girar la caperuza de cierre sobre la válvula.

- Tirar de la manija de la bomba de evacuación con un fuerte sacudón hacia abajo, fijar en la posición final y observar directamente desde arriba, por la ventana, las huellas de las gotitas de las partículas.

Variante a) Utilización del preparado de radio: - Tirar de la manija de la bomba de evacuación con un fuerte

sacudón hacia abajo, fijar en la posición final y observar directamente desde arriba, por la ventana, las huellas de las gotitas de las partículas.

- Eventualmente, expandir varias veces hasta que el vapor sature suficientemente la cámara.

- Repetir el experimento luego de 1 a 2 minutos, de manera que pueda volverse a un estado de equilibrio en la mezcla de vapor.

- Una vez finalizado el experimento, quitar la tapa de la cámara y dejar secar el recubrimiento de fieltro del fondo de la cámara.

- Conservar la cámara lo más libre de polvo posible.

Ejemplo de medición En la figura 1 se muestra un ejemplo de medición para ambas variantes del experimento.

Indicación adicional Si el recipiente con sal de torio permanece conectado durante el accionamiento de la bomba de evacuación, puede aumentarse la cantidad de radón en la cámara de niebla al utilizarse el preparado de torio. Esta versión requiere más habilidad en la expansión, ya que la válvula de aireación no puede cerrarse. b) Utilización del preparado de torio

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