Câmera de Wilson: Experimento e Funcionamento

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Laboratório de Fı́sica ModernaII
Departamento de Fı́sica, Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal do Amazonas
Professor: Dr. Haroldo de Almeida Guerreiro
CÂMERA DE WILSON (NUVENS)
1 Kelem Erika Oliveira Da Silva
1 Graduanda no curso de Licenciatura em Fı́sica
May 19, 2024
Resumo
Este Relatório apresenta o experimento do ”Câmera de Wilson (nuvens)”, os conceitos, objetivo, resultdados,
discussões, registro do experimento realizado no laboratório de Fı́sica ModernaII. A Câmera de Wilson, ou câmara de
nuvens, é um dispositivo inventado por Charles Thomson Rees Wilson em 1911 para visualizar trajetórias de partı́culas
ionizantes. Ela funciona criando uma nuvem supersaturada de vapor de água ou álcool em um recipiente selado.
Quando partı́culas ionizantes passam pela câmara, elas ionizam o gás, criando ı́ons ao longo de seu trajeto. O vapor
supersaturado se condensa ao redor desses ı́ons, formando gotı́culas que revelam as trajetórias das partı́culas em forma
de trilhas visı́veis. A câmara de nuvens foi crucial para avanços na fı́sica de partı́culas, permitindo a observação de
partı́culas subatômicas e seus comportamentos.
Introdução
As Câmaras de Nuvem foram extremamente importantes para o desenvolvimento da fı́sica de partı́culas durante o
perı́odo de 1920 a 1950. O primeiro modelo, desenvolvido por Charles Thomson Rees Wilson, foi desenvolvido entre
1894 e 1911. Neste modelo, era utilizado ar saturado com vapor d’água e um sistema de expansão do ar para causar
o resfriamento da câmara e formar a névoa, por isso este modelo é denominado Câmara de Nuvem de Expansão.
Posteriormente foi desenvolvido o modelo de Câmara de Nuvem de Difusão, em 1936, por Alexander Langsdorf, no
qual era possı́vel ver o efeito na neblina por mais tempo. O trabalho de Wilson no desenvolvimento da câmara de nuvem
lhe rendeu um Prêmio Nobel de Fı́sica em 1927, “pelo seu método de tornar visı́vel o caminho de partı́culas carregadas
utilizando condensação de vapor. Em particular, as descobertas do pósitron em 1932 e do múon em 1936, ambas por
Carl Anderson (recebedor do Prêmio Nobel de Fı́sica em 1936), utilizaram câmaras de nuvens. A descoberta do Káon
por George Rochester e Clifford Charles Butler em 1947 também foi feita usando uma câmara de nuvens como detector.
Em cada um desses casos, os raios cósmicos foram a fonte de radiação ionizante. No entanto, elas também foram usadas
com fontes artificiais de partı́culas, por exemplo, em aplicações de radiografia como parte do Projeto Manhattan, foi
um programa de pesquisa e desenvolvimento que produziu as primeiras bombas atômicas durante a Segunda Guerra
Mundial.
OBJETIVO E DESCRIÇÃO: A câmara de expansão de nuvens (fig.1), torna visı́veis as trajetórias das (partı́culas).
Para isso, deve ser introduzido na câmara um preparado radioativo (haste fonte de radiação de rádio). A compressão
e a subsequente expansão do gás na câmara é realizado muito facilmente por meio da seringa de borracha acoplada.
Após cada expansão, fortes traços de névoa são formados por um breve perı́odo de tempo ao longo das trajetórias das
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Figure 1: Câmara de expansão de nuvens 09044.30 com haste de fonte de radiação inserida 09044.31, Trajetórias de partı́culas emitidas por rádio
na câmara de nuvens e Câmara de nuvens em montagem experimental com lâmpada de laboratório 2 (08129.88).
partı́culas, que podem ser muito observadas; bem contra o fundo da câmara escura sob iluminação lateral Como os
traços são formados sob pressão atmosférica, o comprimento das trajetórias corresponde às indicações de alcance usuais
para a radiação de rádio no ar.
DESCRIÇÃO E FUNÇÃO: O prático dispositivo (fig.2) consiste numa placa de base 1 sobre a qual é montada uma
câmara cilı́ndrica com um diâmetro de aproximadamente 100 mm e 10 mm de altura de forma estanque ao gás. A parede
lateral 2 e a tampa 3 são de vidro acrı́lico transparente. O fundo da câmara 4 é constituı́do por uma placa metálica preta
fosca. A seringa de borracha 12, empurrada sobre uma manga 10, é conectada à câmara 5 sobre a abertura central 11.
Uma camada de espuma de borracha 6 inserida entre a placa de suporte e o fundo da câmara evita fortes correntes de ar
que distorceriam ou soprariam. os traços da trajetória quando a seringa de borracha é usada.
Ao usar as hastes da fonte de radiação PHYWE Ra-226, 3,7 kBq (09044.31) ou Ra-226, 60 kBq (09044.32): A haste da
fonte de rádio 7 é aparafusada no soquete roscado excêntrico 8 com seu suporte de preparação 9 para vedar o orifı́cio.
A cabeça da haste da fonte de radiação alcança a câmara; a superfı́cie radiante achatada deve ser direcionada para o
interior da câmara girando-a a ranhura do parafuso na base do suporte de preparação. Para investigar o poder de
penetração da partı́cula que gera os traços, um pequeno pedaço de papel fixado a um braço móvel pode ser balançado
diante da cabeça da haste fonte. As partı́culas a emitidas pela preparação de rádio geram uma infinidade de ı́ons ao
longo de suas trajetórias no gás da câmara, que atuam como núcleos de condensação e causam a formação de nuvens
em uma atmosfera de vapor supersaturada.
A supersaturação é alcançada brevemente na câmara de nuvem de expansão após uma rápida expansão adiabática
do gás da câmara, devido ao resfriamento que daı́ resulta. Para evitar que os iões gerados continuamente no interior da
câmara pela preparação provoquem névoa permanente, devem ser removidos tanto quanto possı́vel pouco antes de cada
expansão. Isto é obtido carregando a placa superior esfregando-a com um pedaço de lã. O campo elétrico assim gerado
atrai os ı́ons para fora do interior da câmara.
Objetivo
A principal proposta do experimento com a Câmera de Wilson, além de demonstrar na prática é visualizar a trajetória
de partı́culas ionizantes, como raios cósmicos, partı́culas alfa e beta, e outras partı́culas subatômicas. A câmara de
nuvens permite a detecção indireta dessas partı́culas ao formar uma trilha de gotı́culas de vapor de água ou álcool, que
se condensam ao redor dos ı́ons criados pela passagem das partı́culas ionizantes.
Materiais Utilizados
Os materiais utilizados para a realização do experimento foram os seguintes itens disponibilizados no laboratório de
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• Câmara de nuvem de expansão
• Haste fonte de radiação Ra-226, 60 kBq
• Haste fonte de radiação Ra-226, 3,7 kBq
• Lâmpada de laboratório 2, 50 W, halógena
• Transformador de passo com retificador, 14V ∼
/12V ∼ /5A
• Grampo duplo “PASS”
• Pé de apoio ”PASS”
• Haste de suporte para “PASS”, seção quadrática, 1 = 400
milı́metros
Figure 2: Vista em corte através da câmara de nuvem de expansão com elementos funcionais numerados.
• 1.Prato de suporte
• 2.Parede lateral
• 3.Tampa da câmara
• 4.Parte inferior da câmara
• 5.Interior da Câmara
• 6. Camada de espuma de borracha
• 7.Preparação de rádio
• 8.Soquete rosca
• 9.Suporte de preparação
• 10.Manga para seringa de borracha
• 11.Abertura na placa de base
• 12.Seringa de borracha
Procedimento Experimental
O esquema de montagem do experimento da Câmera de Wilson (nuvens),no laboratório de Fı́sica ModernaII, são
mostrados abaixo:
a) Primeiramente, monta-se o equipamento a câmara de nuvens e a fonte de luz são melhor configuradas con-
forme mostrado na figura(3), juntos sobre um pé de apoio. Em sequência observa-se e verificar o funcionamento do
equipamento.
b) Sendo assim, como fonte de luz, pode ser usada, por exemplo, a lâmpada de laboratório 2 com a lente condensadora
f = 100 mm colocada. O feixe de luz é ajustado para ser divergente através do deslocamento da lâmpada no caixa.
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Figure 3: Câmara de nuvens em montagem experimental com lâmpada de laboratório 2 (08129.88.
c) Logo a inclinação da lâmpada ou da câmara de nuvem permite que o fundo da câmara não fique muito claro,
proporcionando assim um fundo escuro para a névoa. traços, nos quais estes são bem vistos devido ao bom contraste. A
luz secundária que diminui o contraste também deve ser evitada (sala parcialmente escura).
Figure 4: Registro da Trajetórias de partı́culas emitidas por rádio na câmara de nuvens, do experimento Câmera de Wilson, no laboratório de FMII.
c) logo após, procegueguimos imediatamente antes de cada geração de vestı́gios de névoa, a tampa da câmara foi
esfregada vigorosamente com um pedaço de lã. Depois disso, a seringa de borracha é pressionada com a maior força
possı́vel com ambas as mãos e liberada repentinamente após esperar alguns segundos. Observam-se traços de névoa
formando um padrão radial a partir do preparo figura(4), que desaparece gradativamente após 1 a 2 segundos.
d) Após cerca de 30 segundos, novos rastreamentos poderão ser gerados com êxito, entretanto, foi esperando um
puco, antes de gerar novos traços. Logo esfrega-se a tampa da câmara novamente antes de provocar a expansão.
e) Se o pequeno pedaço de papel for balançado antes da preparação, inclinando a câmara no caminho certo, nenhum
traço secundário poderá ser observado no setor bloqueado da câmara após a expansão adiabática. Isto significa que
as partı́culas que geram os traços são absorvidas pelo fino pedaço de papel, o que permite chegar à conclusão de que
estamos a observar uma partı́cula. A câmara de expansão de nuvens contém uma preparação radioativa.
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Tratamento de dados.
Resultados e Discussões : Análise do Experimento ”Câmera de Wilson (nuvens)”.
Resultados
1.Visualização de Partı́culas Ionizantes: A câmara de nuvens permitiu a visualização direta das trajetórias de
partı́culas ionizantes, como partı́culas alfa, beta e outras partı́culas subatômicas. As trilhas formadas pelas partı́culas
ionizantes eram visı́veis como linhas ou caminhos de gotı́culas de vapor condensado.
2.Diferença nas Trilhas: As diferentes partı́culas ionizantes produzem diferentes tipos de trilhas. Por exemplo,
partı́culas alfa, que são mais massivas e possuem uma carga maior, criam trilhas mais espessas e curtas, enquanto
partı́culas beta, que são elétrons de alta energia, produzem trilhas mais finas e longas.
3.Detecção de Raios Cósmicos: A câmara de nuvens foi eficaz na detecção de raios cósmicos, partı́culas de alta
energia provenientes do espaço. As trilhas dessas partı́culas foram observadas, contribuindo para a compreensão dos
fenômenos cósmicos e a composição da radiação cósmica.
4.Descoberta de Novas Partı́culas: Utilizando a câmara de nuvens, foram descobertas várias partı́culas subatômicas,
incluindo o pósitron (a antipartı́cula do elétron) por Carl Anderson em 1932, evidenciando a existência de antipartı́culas.
Discussões
1.Impacto na Fı́sica de Partı́culas: A câmara de nuvens foi um avanço significativo para a fı́sica de partı́culas,
permitindo a observação direta de fenômenos subatômicos. Este experimento proporcionou uma compreensão mais
profunda das partı́culas elementares e suas interações.
2.Limitações Técnicas: A câmara de nuvens apresenta algumas limitações, como a necessidade de condições
especı́ficas de temperatura e pressão para manter o vapor supersaturado. Além disso, a visualização das trilhas depende
da qualidade e da manutenção do ambiente de condensação.
3. Contribuições para a Teoria: As observações feitas com a câmara de nuvens ajudaram a confirmar teorias existentes
sobre a natureza das partı́culas subatômicas e a desenvolver novas teorias. Por exemplo, a descoberta do pósitron
confirmou a previsão teórica de Paul Dirac sobre a existência de antipartı́culas.
4. Evolução Tecnológica: Embora a câmara de nuvens tenha sido substituı́da por tecnologias mais avançadas, como a
câmara de bolhas e os detectores de partı́culas eletrônicos, ela estabeleceu um padrão para o desenvolvimento de novos
métodos de detecção de partı́culas.
5. Aplicações Educacionais: A câmara de nuvens ainda é amplamente utilizada em ambientes educacionais para
demonstrar princı́pios básicos da fı́sica de partı́culas e a ionização de gases, proporcionando uma ferramenta visual e
prática para o ensino.
Conclusões
Portanto, a câmara de nuvens de Wilson foi um instrumento revolucionário na fı́sica experimental, permitindo
avanços significativos na compreensão das partı́culas subatômicas e suas interações, apesar de suas limitações técnicas.
Ela continua a ter valor educacional e histórico na ciência. Sendo assim, vale ressaltar que o experimento da Câmara de
Wilson (nuvens), realizado no laboratório de Fı́sica Moderna II, foi um sucesso, pois ao comparar a figura (4) com a
figura (1), ficou nı́tida a semelhança. Assim, foi possı́vel verificar a trajetória de partı́culas emitidas por rádio na câmara
de nuvens.
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Laboratório de Fı́sica ModernaII
References
[1] PERRONE, Gabriel Cury. Câmara de Nuvem: Câmara de Wilson. Acervo Museológico dos Laboratórios de Ensino
de Fı́sica, 2019. Disponı́vel em: https://www.ufrgs.br/amlef/2019/11/01/camara-de-nuvem-camara-de-wilson/.
Acesso em: 19 maio 2024.
[2] Coltfsfan. Câmara de Wilson. Wikipedia, 2024. Disponı́vel em: https://pt.m.wikipedia.org/wiki/C%C3%A2maradeWilson.
Acesso em: 19 maio 2024.
[3] Roteiro Câmara de nuvem de expansão.Google Classroom,2024. Disponı́vel em: Classroom. Acesso em: 19 maio
2024.
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