Câmara de neblina artesanal I

Descrição

A visualização da passagem de radiações ionizantes, como os raios alfa, beta, gama e cósmicos é um grande desafio, devido às pequenas dimensões das partículas subatômicas que as compõem. Sob condições ideais, no entanto, suas trajetórias podem ser visualizadas, utilizando o que ficou conhecido como câmara de Wilson, ou câmara de nuvens.

A montagem do experimento, que propomos aqui, funciona com ar supersaturado de vapor de álcool, que é produzido em um recipiente fechado cuja superfície interna superior tem, colado, um feltro umedecido com álcool etílico/absoluto e é mantida em contato com uma fonte de calor (aqui sendo água aquecida) a mais de 60°C, enquanto que a parte inferior é mantida resfriada a uma temperatura inferior a -20°C. Sendo a parte superior mais quente, a convecção é impedida e a propagação de calor e de matéria se dá por condutividade térmica e difusão, respectivamente. Assim, o álcool que impregna o feltro, na parte superior, quente, vai evaporando e se difundindo para baixo, passando por camadas de ar cada vez mais frias, até condensar nas camadas inferiores. Em cada camada de ar, dentro do recipiente, a quantidade máxima de vapor de álcool que o ar consegue reter é proporcional à sua temperatura. Quando a quantidade de vapor no ar atinge este valor máximo, dizemos que o ar está saturado e a temperatura à qual esta quantidade de vapor satura o ar é chamada de ponto de orvalho. Quando a temperatura do ar é inferior ao ponto de orvalho e o vapor de álcool ainda não condensou, ultrapassando assim a quantidade máxima de vapor que o ar consegue reter, dizemos que o ar está supersaturado, em um estado de equilíbrio instável. Este estado de equilíbrio instável é quebrado e o vapor condensa em pequenas gotículas, mediante o surgimento de núcleos de condensação. Quando um certo nível de supersaturação é atingido, na ausência de impurezas, inomogeneidades, partículas ou substâncias estranhas, acontece a nucleação homogênea, quando os núcleos de condensação são as microgotículas do próprio álcool, que surgem de forma espontânea e aleatória por todo o ar supersaturado e crescem rapidamente, induzindo a condensação na sua superfície. Por outro lado, quando temos no ar a presença de substâncias estranhas, como moléculas ionizadas pela passagem próxima de uma radiação ionizante e para níveis de supersaturação muito menores, estes íons se transformam em núcleos de condensação, desencadeando, assim, uma nucleação heterogênea, quando as microgotículas de álcool surgem apenas em torno destes íons gerados ao longo da trajetória do raio ionizante. Este rastro nebuloso de gotículas de álcool deixa visível, a olho nu, a passagem do raio ionizante.

A câmara de Wilson oferece, da maneira descrita acima, uma forma direta de visualizar e compreender as trajetórias e interações de partículas subatômicas. É uma ferramenta importantíssima no campo da física experimental e na educação científica.

Conceitos e Princípios Físicos Abordados

Pode-se abordar partículas elementares, radioatividade, decaimento radioativo, raios cósmicos, vapor saturado, ionização.

Material Utilizado

Álcool etílico / absoluto
Feltro
Fita dupla face ou/e cola instantânea
Recipiente com gel congelado
Dois potes de acrílico (ou vidro) transparente
Água quente
Fita adesiva aluminizada
Fonte de luz/lanterna
Pedaço de eletrodo de tungstênio, contendo 2% de tório (opcional)

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