Fabricación de una cámara de niebla casera refrigerada por células Peltier

Estudio de partículas fundamentales. 

Vamos a comenzar con una de las aplicaciones de la cámara de niebla, comprobar la teoría de la relatividad. Cuando la hacemos funcionar nos damos cuenta de que continuamente se ven trazas o estelas, tal y como se muestra en las siguientes imágenes:

Cuando una partícula cargada de suficiente energía interacciona con el vapor de etílico absoluto y saturado, lo ioniza. Los iones resultantes actúan como núcleos de condensación, alrededor de los cuales se forman gotas de líquido que dan lugar a una niebla. Al paso de las partículas se va produciendo una estela o traza, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de su trayectoria, semejante a la que forman los aviones reactores en el cielo. Si nos fijamos de vez en cuando aparecen estas trazas o estelas debido a los muónes. Estas trazas tienen formas distintivas (por ejemplo, la traza de una partícula alfa es ancha y recta, mientras que la de un electrón es más fina y muestra evidencias de ser deflectada).

Los muones son unas partículas 207 veces más pesadas que el electrón y cuya vida media es de 2 microsegundos (la vida media es el tiempo que tarda en desintegrase la mitad de la población de partículas que se tenía inicialmente). Es decir no duran nada de tiempo. Estas partículas se generan por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera y viajan a velocidades cercanas a  la velocidad de la luz. Un muón típico se mueve con velocidad 0,9978c.

En 1963 David Frisch y James Smith realizaron un experimento en el que midieron el número de muones que llegaban a la superficie terrestre. Realizaron dos mediciones a distinta altura, una en lo alto del monte Washington y otra al nivel del mar. En la cima de la montaña registraron 568 muones por hora. A nivel del mar, y de acuerdo con la ley de decaimiento de su vida media, debería registrarse tan solo 27 muones por hora, sin embargo los científicos, al realizar la experiencia, detectaron 412 muones por hora. Parecía como si a los muones les hubiese dado tiempo a llegar a la superficie terrestre antes de desintegrarse, es decir que viven más tiempo. ¿Cómo es posible? La explicación nos la da la dilatación en el espacio y en el tiempo descrita por la Relatividad Especial:

Explicación desde el punto de vista de un observador situado en la Tierra: un muón típico que se mueva a velocidad 0.9978c recorrerá sólo 600m aproximadamente en 2 microsegundos. Sin embargo, la vida media del muón medida en el sistema de referencia terrestre debe incrementarse hasta 30 microsegundos debido al fenómeno de la dilatación del tiempo, y un muón con velocidad 0.9978c recorre del orden de 9000m.

Explicación desde el punto de vista del sistema de referencia de los muones: contracción de la longitud. Desde el punto de vista del muón, éste vive sólo dos microsegundos pero puede afirmar estar en reposo y ser la atmósfera la que circula junto a él a la velocidad de 0,9978c. Debido a la contracción del espacio, la atmósfera de 9000m en el sistema terrestre se encuentra así contraída a sólo 600m en el sistema del muón. Siendo así posible que los muones lleguen al nivel del mar.

Teoría sobre radiación y materiales radiactivos

La radiación. Es una forma de energía que proviene de diversas fuentes, algunas creadas por el hombre como las máquinas de rayos X, y otras naturales como el Sol y el espacio exterior y de algunos materiales radioactivos como el uranio en la tierra. La exposición a esa energía conlleva algunos peligros para la salud de los seres vivos, incluidos los humano

Wilhelm Conrad Roentgen, uno de los pioneros de la física en Alemania, fue también el primer galardonado con el Premio Nobel de Física en 1901 por el descubrimiento en 1985 de los rayos X, teniendo su aplicación gran alcance en el sector de la industria y de la medicina. Sin embargo, fue el físico francés Henri Becquerel quien descubrió la radiactividad, distinguido también con el Premio Nobel dos años después, en 1903, galardón compartido por Pierre y Marie Curie, por sus investigaciones conjuntas sobre los fenómenos de la radiación descubiertos por el científico galo.

Entre 1896 y 1903, los científicos descubrieron que no todos los elementos radiactivos emiten las mismas radiaciones. Algunos emiten radiaciones más potentes que otros, cada una de las cuales transforma el núcleo de distinta manera.

Cuando la radiación de la muestra de un elemento radiactivo, como el Radio (Ra), se somete a la acción de un campo magnético, se determina la existencia de tres tipos de emisiones radiactivas: partículas alfa, partículas beta y rayos gamma. Es por ello por lo que se hace necesario el uso de ciertos materiales radiactivos que expulsen partículas Alfa, Beta y Gamma, así como de imanes para su uso en nuestro proyecto.

Materiales radiactivos utilizados para nuestros experimentos

Imán utilizado para generar campos magnéticos que interfieran en la trayectoria de las partículas radioactivas

Naturaleza de las radiaciones

Radiación α 
Son núcleos de átomos de helio ( se escriben α, 42 α, 42He2+ 4He2+). Se mueven a velocidades “pequeñas” (0,1c). Energías del orden de 4 a 10 MeV. Poco penetrantes. Pueden ser detenidas por pocos centímetros de aire o por una hoja de papel. La desintegración α se produce fundamentalmente para los núcleos con Z > 82

Radiación β (β− y β+) 
Son electrones (escrito o−1e, o−1β o e−) o positrones (o+1e, o+1β o e+), con velocidades próximas a la de la luz. Energías muy variables: desde keV a MeV. Poco penetrantes: Son absorbidos al cabo de unos pocos metros en el aire. Son detenidos por finas láminas metálicas. Los “rayos β” son producidos tanto por elementos ligeros como pesados. Se dan por la descomposición de un neutrón en un protón (β−) o de un protón en un neutrón (β+)

Radiación γ 
Es radiación electromagnética (fotones) de alta energía (gran frecuencia y pequeña longitud de onda)
Energías muy variables: de keV a MeV. Muy penetrantes: 2 km en el aire. Son detenidos por gruesas paredes metálicas (30 cm de plomo, más de 1 metro de hormigón o varios metros de agua). Su emisión suele estar asociada a otros tipos de emisiones, α, β. etc.

Pruebas de penetración

Vamos a realizar pruebas de penetración de las partículas que salen de los isótopos radiactivos, según la distancia a la muestra, e interponiendo distintos materiales, papel, aluminio y plomo.

Pese a que realizamos algunas mediciones preliminares para aprender a utilizar el equipo del laboratorio de Física y Química, la interrupción del curso presencial de forma inesperada no nos permitió realizar muchas de las pruebas que teníamos pensadas relacionadas con la medición de radiaciones.

Alumnos realizando mediciones de radiación generada por ciertos materiales

Cámara de niebla

Es posible fabricar una cámara de niebla sin grandes costes (para la satisfacción que produce), y realizar experimentos para encontrar miles de partículas alpha α (nucleos de He con dos protones y dos neutrones, pero desnudos de electrones). También partículas beta β (electrones libres), rayos gamma γ (fotones de alta energía) y muones (como electrones pero 200 veces más pesados).

Una cámara de niebla se basa en un recipiente estanco con una mezcla de gases.  Uno de ellos estará sobre-enfriado. Esto significa que la menor perturbación provocará que se condense.  Las partículas que se desea detectar ionizan este gas.  Estos iones generados  actúan como núcleos de condensación del gas sobreenfriado, formando una traza de niebla en la mezcla.  Se aprecia algo parecido a la raya de un avión en el cielo, pero en este caso ha sido causado por una partícula subatómica que se mueve por el gas, prestando su energía para la ionización.

Usando una cámara de niebla es relativamente fácil detectar estas partículas. Para la construcción de la cámara aún no tenemos claro todos los procedimientos. Nos basaremos en parte en las instrucciones y experiencias narradas en la web de Fisicalandia, en donde tocan el tema de una forma bastante detallada.

En relación con la ionización, que es la pérdida o ganancia de electrones, se puede comentar que en la práctica es muy fácil conseguirla. Simplemente frotando un globo con la manga del jersey ya se puede ver que atrae el pelo por motivo de la electricidad estática producida.

Materiales para la construcción de nuestra cámara de niebla

Siguiendo con la filosofía del Norba Caesarina, de reutilizar y reciclar, nos hemos propuesto construir una cámara de niebla a partir de los materiales reciclados (siempre que sea posible). Estos son los materiales que hemos utilizado:

• Tubo de PVC
• Disipador térmico de aluminio de la CPU de un PC.
• Ventilador de un PC.
• Aislante de corcho
• Una linterna  led , emite un bloque de luz horizontal, con lo que se minimizan los reflejos no deseados. Esto permite grabar directamente con un móvil apoyado encima de la tapa superior 
• Fuente de alimentación de un viejo PC recuperado de un contenedor de basura.
• Células Peltier.

Estudio y comparativa de temperatura

Para realizar la cámara de niebla es necesario conseguir reducir bastante la temperatura de la misma. Para ello utilizaremos las células Peltier. Sin embargo, no sabemos si estas nos proporcionarán el resultado esperado. Por tanto vamos a realizar mediciones usando:

• Una sola célula peltier, ubicando la parte que se calienta sobre un disipador térmico de aluminio diseñado para CPU's, conectado a un ventilador. Parece una buena opción, pero su temperatura solo baja a unos cuantos grados bajo cero.
• Varias células Peltier concatenadas en serie, de tal forma que cada una refrigera la parte caliente de la siguiente. Es un sistema que funciona mejor, y permite bajar tres o cuatro grados adicionales respecto al sistema de una sola célula Peltier. El problema es que se dispara el consumo eléctrico y la fuente de alimentación falla. No hemos podido solucionar este contratiempo debido a la interrupción de las clases presenciales por el estado de alarma del Covid-19.
• Células Peltier refrigeradas por agua y hielo ubicadas en un termo. No producen una mejora significativa respecto a la refrigeración usando una sola célula + un disipador + un ventilador.
• Células Peltier refrigeradas por hielo seco. Quizá la opción que más enfría, pero a la larga resulta caro, pues el hielo seco se nos agota.

Conexión de célula Peltier a fuente de alimentación de PC para refrigerarla con un disipador y un ventilador de CPU's

Alumno de 3º de ESO anotando mediciones de temperatura de célula Peltier

Termo con agua y hielo usado para refrigerar la parte caliente de las células Peltier.

Pese a que realizamos alguna medición y anotación inicial, la suspensión de clases presenciales como causa de la pandemia en la que nos hemos visto inmersos no nos dejó continuar con nuestras investigaciones, no teniendo datos suficientes para mostrar en este artículo. En cualquier caso, llegamos a realizar mediciones en las que conseguíamos bajadas de temperatura de hasta 10 grados bajo cero, consiguiendo congelar pequeñas gotas de agua en un par de segundos.
Pese a todo, no logramos acabar la cámara de niebla de una forma 100% funcional para realizar las mediciones. Seguiremos trabajando en ello durante el siguiente curso escolar.

Parte de los recursos materiales y humanos necesarios para realizar estas actividades han sido cofinanciados por el programa Proyect@ de la Junta de Extremadura.