CAMERA di Wilson
CAMERA di Wilson
Apparecchio, che permette ai fisici di osservare e di fotografare la scia di ioni che una particella elettricamente carica crea lungo il suo percorso in un gas e che costituisce la "traccia" della particella stessa; esso rappresenta uno degli strumenti tecnici che più ha contribuito allo sviluppo della fisica moderna.
In fig. 1 è dato un disegno costruttivo di una camera e dei principali accessorî, che ci permette di seguire il funzionamento nei suoi successivi momenti. Nel recipiente A, a perfetta tenuta, nel quale la pressione pa è dell'ordine di grandezza di quella atmosferica, vi è un gas saturo di vapori di una miscela di acqua ed alcool etilico. Nel recipiente B vi è una pressione pb lievemente superiore a pa affinché il setto di gomma G, le cui posizioni estreme sono determinate dai diaframmi metallici forati D1 e D2, aderisca al primo dei diaframmi ora detti. Infine nel recipiente C la pressione è assai minore che in B e la valvola V, comandata dall'elettromagnete E, permette di porre bruscamente in comunicazione B con C. All'apertura di V la pressione pb scende assai rapidamente ad un valore inferiore a pa ed il setto di gomma passa dalla posizione iniziale in cui aderiva a D1 a quella finale di appoggio a D2. Il volume di A aumenta perciò bruscamente e la miscela, aria più vapori saturi, si raffredda (espansione con lavoro esterno) e si passa quindi dallo stato di saturazione a quello di soprassaturazione.
Se il rapporto tra il volume iniziale e quello finale, "rapporto di espansione", è scelto convenientemente (le viti R permettono di regolare la posizione di D1 e, perciò, il rapporto d'espansione) il vapore non condensa dappertutto in A per dare luogo ad una nebbia uniformemente distribuita, ma solo sugli ioni presenti nella camera. Se una particella ionizzante attraversa la camera immediatamente prima dell'espansione o in quell'intervallo di tempo durante il quale permane lo stato di soprassaturazione (tempo di sensibilità) noi potremo osservarne la traccia. Questa si presenta, se opportunamente illuminata attraverso le finestre Fdella sorgente S (500 watt circa) e mediante i condensatori di luce L, come un brillante filo di nebbia sul fondo costituito da un diaframma di velluto nero N che appoggia a D1. Se si dispone di una intensa sorgente di luce, 5-10 kilowatt, anche istantanea, si possono fotografare le tracce stesse.
Evidentemente, perché la camera funzioni bene, perché dia cioè tracce ben contrastanti sul fondo, occorre che non vi siano oltre agli ioni altri nuclei di condensazione per il vapore soprassaturo: il gas di riempimento della camera deve essere quindi libero da pulviscolo e non vi debbono essere sostanze chimiche che possano portare alla condensazione. Occorre inoltre che, tra un'espansione e l'altra, siano spazzati via dal gas di riempimento gli ioni che continuamente si formano per la presenza di elementi radioattivi e dei raggi cosmici, ioni che darebbero all'atto dell'espansione una nebbia di fondo e le cosiddette tracce vecchie; ad evitare questo, vi è in A un elettrodo I portato ad una differenza di potenziale rispetto alla camera stessa e tale che si abbia in A, in media, un campo elettrico collettore dell'ordine di 10 volt/cm. Al momento dell'espansione il campo viene evidentemente tolto, per evitare la distorsione e l'allargamento delle tracce che interessano.
Per fotografare le tracce è necessario che l'illuminazione e lo scatto della macchia fotografica siano ritardati rispetto all'espansione di un tempo così grande che le goccioline di condensazione si siano già convenientemente ingrossate, ma così piccolo che le goccioline stesse non abbiano acquistato una velocità di caduta tale da rendere le tracce deformate.
Particolari cautele occorre usare, relativamente alle distorsioni, se con la camera di Wilson si vogliono eseguire delle buone misure di momento delle particelle, osservando la curvatura delle tracce allorché la detta camera è posta in un campo magnetico uniforme; sulle particelle agisce allora la forza di Lorentz cosicché le traiettorie sono degli archi di circonferenza.
Le camere di Wilson si distinguono in camere per radioattività e camere per raggi cosmici. Nelle prime, in generale di modeste dimensioni, le espansioni avvengono normalmente ad intervalli di tempo regolari e la successione di fenomeni che ne permettono il funzionamento secondo quanto è stato esposto sopra, è realizzata assai semplicemente con opportuni ruotismi. Questi stessi riportano poi la camera nelle condizioni primitive (chiusura di V, ripristino delle pressioni in B, e perciò in A, e ripristino del campo elettrico di collezione degli ioni in C).
Le seconde, per raggi cosmici, possono essere di due tipi: camere a funzionamento a caso e camere controllate da contatori di Geiger-Müller (v. contatore, in questa App.). Quelle del primo tipo come quelle per radioattività, scattano ad intervalli di tempo regolari ma, a differenza di queste, sono costruite in modo da avere un tempo di sensibilità assai grande. Questa caratteristica è necessaria perché, in genere, i fenomeni che si osservano nel dominio dei raggi cosmici hanno, specie intorno al livello del mare, una frequenza così bassa che occorre totalizzare, perché i dati raccolti abbiano una sufficiente attendibilità statistica, un tempo di osservazione assai grande; questo si ottiene evidentemente nel modo più semplice realizzando appunto camere a tempo di sensibilità elevato (qualche decimo di secondo). Le camere controllate con contatori, oggi le più usate nelle ricerche sui raggi cosmici, espandono solo quando l'evento fisico che interessa fotografare è realmente avvenuto nella camera. È ovvio che per questo tipo di camera di Wilson è indispensabile che tra il passaggio della o delle particelle attraverso la camera ed il raggiungimento della soprassaturazione critica intercorra un intervallo di tempo più breve possibile. In questo caso infatti gli ioni formati dalla particella nel gas non avranno subito alcuna diffusione apprezzabile, diffusione che avrebbe resa la traccia evanescente e distorta e pertanto, ad esempio in misure in campo magnetico, non misurabile.
L'intervallo di tempo ora accennato è dell'ordine di grandezza del millesimo di secondo: ciò richiede la progettazione e la costruzione di dispositivi meccanici ed elettrici di messa a punto alquanto delicata.
In fig. 2 è riportata una serie di fotografie di tracce di raggi cosmici.
Bibl.: N. N. Das Gupta, S. K. Ghosh, Reviews of modern physics, XVIII (1946), p. 225.