Experimento: Cámara de niebla casera

Leyendo obras de divulgación científica o, aún peor, estudiando física puede dar la impresión de que las partículas subatómicas de las que nos hablan son quimeras que sólo existen sobre el papel. Sin embargo, es bien fácil construir un detector casero, una "cámara de niebla" en la que partículas cargadas procedentes de los rayos cósmicos dejan unas trazas perfectamente visibles sin ningún instrumento.

Fundamento científico:

Tenemos una caja herméticamente cerrada en la que previamente hemos introducido un alcohol volátil y fácilmente ionizable. La base de la caja se mantiene fría por estar en contacto con un lecho de hielo seco (dióxido de carbono sólido) de modo que cerca de él hay vapor de alcohol sobreenfriado, es decir, que está por debajo de su temperatura de condensación.

El paso de una partícula cargada de suficiente energía deja un rastro de iones en torno al cual se condensa una nube de gotitas de alcohol formando una traza de igual manera que los aviones dejan estelas a su paso por las capas altas de la troposfera.

Materiales utilizados:

Todos los materiales se pueden adquirir o encontrar fácilmente, a1 menos en las grandes ciudades. Más adelante se darán pistas.

1. Un recipiente transparente y que pueda cerrarse herméticamente, como una pecera o tortuguera.

2. Una chapa metálica (el aluminio es lo más fácil) para cerrar el recipiente.

3. Unas tiras de fieltro o moqueta.

4. Isopropanol (alcohol isopropílico).

5. Hielo seco (dióxido de carbono sólido)

6. Cinta aislante (y quizá burlete para ventanas).

7. Iluminación, por ejemplo una lámpara halógenaorientable y de altura regulable.

El CO₂ sólido (“nieve carbónica” o “hielo seco”) se puede comprar en algunos distribuidores de Air Liquide o Carburos Metálicos, por ejemplo. Se necesitan, como mucho, un par de kilos por sesión, aunque no se venden cantidades tan pequeñas. No es mala idea buscar a alguien de un laboratorio que nos pueda regalar un poco (del que se usa, por ejemplo, para transportar cultivos u otras muestras biológicas). Como indicación, en abril de 2008 nos cobraron 35 euros por diez kilos.

Es muy conveniente usarlo pulverizado, en trozos muy pequeños o en placas planas de pocos centímetros de grosor, pero no en trozos grandes.

El isopropanol lo sirve cualquier distribuidor de productos químicos, pero también se puede comprar en droguerías como "Riesgo", en la calle Desengaño de Madrid. Con un litro tenemos para muchas sesiones de cámara de niebla y el más puro costaba 19 euros en abril de 2008 (¡pero se puede usar igualmente el comercial que es bastante más barato!)

Se podría construir una especie de pecera de metacrilato, pero no merece la pena pues por poco más de diez euros (abril 2008) podemos comparar una tortuguera... La única ventaja verdadera de construirla es que así podemos elegir el tamaño nosotros y cuanto mayor sea la base, más trazas veremos.

La placa de aluminio nos la regalarán en cualquier taller de cerramientos metálicos y cortarla a medida es fácil con una sierra apropiada.

Conceptos relacionados con este experimento (expresiones clave):

· partículas subatómicas · formación de niebla

Desarrollo y montaje del experimento:

Consejos y Advertencias
El hielo seco puede ser peligroso si se maneja descuidadamente, ya que en las condiciones de nuestro experimento -lo tenemos al aire y está sublimando, es decir, pasando directamente de sólido a vapor- está a una temperatura de -79 °C194,15 K
-110,2 °F.

El isopropanol también puede ser peligroso (pero no mucho más que el alcohol "normal") puesto que es muy inflamable y puede ser tóxico e irritante si se inhala o ingiere (a altas concentraciones).

Paso a seguir:

RESUMEN La cámara de niebla casera no es más que una pecera estanca en cuyo fondo (y en un par de centimetros del lateral interior alrededor del fondo) hemos pegado, por ejemplo con pegamento de contacto, unas tiras de fieltro o moqueta que antes de cerrar la cámara empaparemos de isopropanol (para lo que puede ser útil usar una jeringa).

Paso a seguir:

CERRAR LA CÁMARA HERMÉTICAMENTE

La pecera se tapa con una chapa metálica cuya cara interior habremos cubierto con cinta adhesiva negra. Mejor aún sería pintarla con una pintura negra mate resistente al agua y al alcohol.

Para que cierre herméticamente (y este es uno de los puntos cruciales que pueden fallar) quizá convenga poner a lo largo del borde de la chapa una tira de burlete de goma (como el que hay en puertas y ventanas) pero siempre de sección continua, de modo que no haya huecos cuando el canto de las paredes de la tortuguera descanse sobre él.

Finalmente se cierra la cámara uniendo con cinta adhesiva la chapa metálica y la tortuguera a lo largo de todo el perímetro de contacto. Conviene no ser tacaño con la cinta y tener especial cuidado en las esquinas.

Paso a seguir:

ENFRIAR EL FONDO DE LA CÁMARA

Ahora se pone la chapa metálica en contacto con el hielo seco (una capa de unos centímetros puede durar varias horas).

Es muy importante que el contacto sea lo mejor posible, así que el lecho se debe aplanar y, sobre todo, hay que usar el CO₂ en forma de polvo, placas gruesas o fragmentos pequeños (como un grano de arroz).

Cuidado con el hielo seco que se vende como cilindros de diámetro similar al de una tiza ya que con ellos es muy difícil un buen contacto térmico. Y si no se enfría bien la placa y por tanto el vapor de alcohol cercano a ella, no veremos trazas...

Paso a seguir:

ÚLTIMOS PASOS

Otra cosa con la que hay que tener cuidado es la temperatura de la sala en la que se monta la cámara. Queremos que el fondo de la cámara esté frío, PERO LA PARTE SUPERIOR DEBE ESTAR CALIENTE ya que, para empezar, el alcohol que empapa el fieltro se debe evaporar bien. Además, el gradiente vertical de temperaturas no puede ser cualquiera para que se formen las trazas, pero esto es complicado de explicar, así que remitimos a Cowan (1959), cuya referencia completa está en la sección de bibliografía.

El último paso antes de empezar es conseguir una buena iluminación del fondo negro de la cámara, que debería estar en un entorno poco iluminado.

Colocaremos una fuente de luz -una lámpara halógena casera orientable sirve- iluminando lateralmente (¡no desde encima!) el fondo de la cámara.

Paso a seguir:

COMIENZA LA OBSERVACIÓN

Antes de poder ver trazas hay que esperar unos minutos. La clave es mirar hacia la base negra de la cámara por el lado opuesto a la lámpara (que habrá que mover para conseguir una iluminación óptima) hasta que veamos caer una lluvia finísima de gotitas de isopropanol condensado.

Sobre esa niebla, en una capa de unos pocos centímetros por encima de la chapa aparecerán de vez en cuando condensaciones en forma de hilillo blanco que desaparecerán rápidamente. Se parecen mucho a las estelas de los aviones pero son muchísimo más efímeras.

¡Son las trazas de partículas cargadas que atraviesan la cámara!

Cuando la cámara lleve un rato funcionando se deberán ver trazas casi continuamente, pero pillar una verdaderamente densa y larga es custión de paciencia y suerte.

Paso a seguir:

PARA TERMINAR Las trazas las puede producir cualquier partícula cargada con suficiente energía para ionizar el isopropanol. Podrían venir de la radiactividad natural o dios sabe de dónde, pero resulta que la mayoría son RAYOS CÓSMICOS SECUNDARIOS (ver más abajo, por ejemplo, la referencia "Viaje al corazón de la materia" )