|Observando raios cósmicos através da construção de uma câmara de nuvens| #2 Como funciona uma Câmara de Nuvens? (V.2, N.12, P.1, 2019)

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Divulgadora da Ciência: Raissa Correa

Câmara de Nuvens é um dispositivo experimental desenvolvido ainda em meados do século XIX, que permite visualizar à olho nu a passagem de partículas eletricamente carregadas em seu interior – incluindo os raios cósmicos – através dos efeitos causados no ambiente por suas respectivas cargas. A Câmara de Nuvens foi amplamente utilizada durante o início do século XX, nos estudos sobre partículas elementares e, inclusive, na descoberta de uma dessas partículas: o pósitron, em 1932.

 

Este dispositivo, numa visão geral, consiste num recipiente de vidro no qual há um gás – geralmente vapor de álcool – em condição supersaturada (isto significa dizer que há uma quantidade maior de vapor no recipiente do que normalmente poderia ser encontrada). A supersaturação do gás dentro da câmara depende da existência de uma importante condição física no sistema: a diferença de temperatura entre o topo e a base desta estrutura. Como poderia ser esquematizada uma Câmara de Nuvens, então?

 

 

Imagem disponível em: https://www.thenakedscientists.com/get-naked/experiments/cloud-chamber

 

A parte superior do recipiente deve ser umidificada por dentro com álcool volátil à temperatura ambiente, como ilustra a figura acima; sua base, porém, precisa ser resfriada a tal ponto que seja possível haver uma diferença considerável de temperatura em relação ao topo – para isto, geralmente se utiliza uma base metálica preenchida ou envolta em dióxido de carbono em estado sólido, mais conhecido como gelo seco.

A partir destas condições, a dinâmica física que rege o funcionamento da Câmara de Nuvens é relativamente simples de se entender: o álcool à temperatura ambiente na região mais alta da câmara se vaporiza; no entanto, ele volta a se condensar próximo à base; entre estes dois extremos, então, é formada uma região muito instável, na qual o vapor de álcool fica supersaturado – porém ainda não condensado. Nesta área, qualquer pequena perturbação é capaz de desencadear uma formação de gotículas condensadas de álcool – e é justamente isto que é esperado! Quando uma partícula carregada – como um múon – passar pelo interior de uma Câmara de Nuvens operando nestas condições específicas, ela formará íons ao se chocar com as moléculas de ar ali presentes; estes íons serão, então, os pontos em torno dos quais as partículas de álcool em suspensão irão se condensar, como mostrado na figura abaixo. Conforme se formam os íons e, em seguida, o álcool se condensa, é possível observar – sob baixa incidência luminosa – um traço que revelará a trajetória da partícula dentro da câmara!

 

Imagem disponível em: http://www.thenakedscientists.com/HTML/experiments/exp/cloud-chamber/

 

Esta simplicidade com a qual diversos princípios termodinâmicos são aplicados no funcionamento da Câmara de Nuvens, possibilitando o contato com o mundo subatômico das partículas – um assunto que comumente soa como muito abstrato e complexo – tornaram-na um artefato de demonstração científica muito valioso e versátil; é possível construir versões mais simples da câmara, utilizadas para divulgação científica e em demonstrações básicas nas aulas de Física, assim como versões mais robustas a partir de incrementos feitos em laboratório, que permitam inclusive seu uso intensivo em pesquisas.

Quando acoplada com um gerador de campo magnético, por exemplo, é possível observar a deflexão das partículas ao atravessarem a câmara – este é um comportamento extremamente útil de ser observado e registrado, uma vez que permite a identificação de diversos dados sobre as partículas, como sua velocidade e a existência de possíveis anti-partículas, como ilustrado na figura abaixo:

 

Imagem disponível em: https://universe-review.ca/I15-70-positron.jpg

 

Referências:

C. Laganá, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 3, 3302 (2011).

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