ห้องเมฆ

ห้องเมฆจำลองดั้งเดิมของ CTR Wilson ที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish เมืองเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ
การใช้งาน	การแสดงภาพรังสีไอออนไนซ์
การทดลองที่น่าสนใจ	การค้นพบโพซิตรอน
นักประดิษฐ์	ชาร์ลส์ ทีอาร์ วิลสัน
รายการที่เกี่ยวข้อง	ห้องฟองอากาศ ห้องลวด

ห้องเมฆหรือที่รู้จักกันในชื่อห้องวิลสันคือเครื่องตรวจจับอนุภาคที่ใช้สำหรับแสดงภาพการผ่านของรังสีไอออนไนซ์

ห้องเมฆประกอบด้วยสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิทซึ่งมีไอน้ำอิ่มตัวยิ่งยวด^{[ 1 ]}ของน้ำหรือแอลกอฮอล์อนุภาคที่มีประจุพลังงานสูง (เช่น อนุภาค อัลฟาหรือเบตา ) ทำปฏิกิริยากับส่วนผสมของก๊าซโดยการผลักอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของก๊าซผ่าน แรง ไฟฟ้าสถิตระหว่างการชนกัน ส่งผลให้เกิดร่องรอยของอนุภาคก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน ไอออนที่เกิดขึ้นทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการควบแน่นซึ่งจะเกิดร่องรอยคล้ายหมอกของหยดน้ำขนาดเล็กขึ้นหากส่วนผสมของก๊าซอยู่ที่จุดควบแน่น หยดน้ำเหล่านี้สามารถมองเห็นได้เป็นร่องรอย "เมฆ" ที่คงอยู่เป็นเวลาหลายวินาทีในขณะที่หยดน้ำตกลงมาผ่านไอน้ำ ร่องรอยเหล่านี้มีรูปร่างลักษณะเฉพาะ ตัวอย่างเช่น ร่องรอยของอนุภาคอัลฟาจะหนาและตรง ในขณะที่ร่องรอยของอนุภาคเบตาจะบางและแสดงหลักฐานการเบี่ยงเบนจากการชนกันมากกว่า

ห้องเมฆถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1900 โดยนักฟิสิกส์ชาวสก็อตCharles Thomson Rees Wilsonเขามีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์อนุภาคเชิงทดลองตั้งแต่ทศวรรษ 1920 ถึงทศวรรษ 1950 จนกระทั่งมีการ คิดค้น ห้องฟองอากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การค้นพบโพซิตรอนในปี 1932 (ดูรูปที่ 1) และมิวออนในปี 1936 ซึ่งทั้งสองอย่างค้นพบโดยCarl Anderson (ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1936) ได้ใช้ห้องเมฆ การค้นพบเคออนโดยGeorge RochesterและClifford Charles Butlerในปี 1947 เกิดขึ้นโดยใช้ห้องเมฆเป็นตัวตรวจจับ^{[ 2 ]}ในแต่ละกรณีเหล่านี้รังสีคอสมิกเป็นแหล่งกำเนิดรังสีไอออนไนซ์ อย่างไรก็ตาม รังสีคอสมิกยังถูกนำไปใช้กับแหล่งกำเนิดอนุภาคเทียมด้วย เช่น ใน การใช้งาน ด้านรังสีวิทยาซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตัน^{[ 3 ]}

ชาร์ลส์ ทอมสัน รีส์ วิลสัน (ค.ศ. 1869–1959) นักฟิสิกส์ชาวสกอตแลนด์ ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้ประดิษฐ์ห้องเมฆ แรงบันดาลใจจากการพบเห็นปรากฏการณ์บร็อกเคนสเปกเตอร์ขณะทำงานบนยอดเขาเบนเนวิสในปี ค.ศ. 1894 ทำให้เขาเริ่มพัฒนาห้องขยายตัวเพื่อศึกษาการก่อตัวของเมฆและปรากฏการณ์ทางแสงในอากาศชื้น เขาค้นพบอย่างรวดเร็วว่าไอออนสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการก่อตัวของหยดน้ำในห้องดังกล่าว เขาจึงศึกษาการประยุกต์ใช้การค้นพบนี้และพัฒนาห้องเมฆเครื่องแรกให้สมบูรณ์แบบในปี ค.ศ. 1911

ในห้องทดลองดั้งเดิมของวิลสัน อากาศภายในอุปกรณ์ที่ปิดสนิทจะอิ่มตัวด้วยไอน้ำ จากนั้นจึงใช้ไดอะแฟรมเพื่อขยายอากาศภายในห้องทดลอง ( การขยายตัว แบบอะเดียแบติก ) ทำให้อากาศเย็นลงและเริ่มควบแน่นไอน้ำ ดังนั้นจึง ใช้ชื่อว่าห้องเมฆขยายตัว^{[ 4 ]}เมื่ออนุภาคไอออนไนซ์ผ่านห้องทดลอง ไอน้ำจะควบแน่นบนไอออนที่เกิดขึ้น และร่องรอยของอนุภาคจะมองเห็นได้ในกลุ่มไอน้ำ มีการใช้ ฟิล์มภาพยนตร์เพื่อบันทึกภาพ

แพทริค แบล็กเก็ตต์ได้พัฒนาเพิ่มเติมโดยใช้สปริงแข็งเพื่อขยายและบีบอัดห้องอย่างรวดเร็ว ทำให้ห้องไวต่ออนุภาคหลายครั้งต่อวินาที ห้องประเภทนี้เรียกว่าห้องแบบพัลส์เนื่องจากสภาวะการทำงานไม่ได้คงที่ตลอดเวลา

วิลสันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ครึ่งหนึ่ง ในปี พ.ศ. 2460 จากผลงานของเขาเกี่ยวกับห้องเมฆ (ปีเดียวกับที่อาร์เธอร์ คอมป์ตันได้รับรางวัลครึ่งหนึ่งจากปรากฏการณ์คอมป์ตัน ) ^{[ 5 ]}

ห้องเมฆแบบแพร่กระจายได้รับการพัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2479 โดยAlexander Langsdorf [ ^{6 ] ห้อง}นี้แตกต่างจากห้องเมฆแบบขยายตัวตรงที่มันไวต่อรังสีอย่างต่อเนื่อง และด้านล่างจะต้องถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปจะเย็นกว่า −26 °C (−15 °F) แทนที่จะใช้ไอน้ำจะใช้แอลกอฮอล์ เนื่องจากมี จุดเยือกแข็ง ต่ำกว่า ห้องเมฆที่ทำให้เย็นลงด้วยน้ำแข็งแห้ง หรือ การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกแบบ Peltier เป็นอุปกรณ์สาธิตและงานอดิเรกที่ พบได้ทั่วไป แอลกอฮอล์ที่ใช้ในนั้นมักจะเป็นไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์หรือเมทิลแอลกอฮอล์^{[ 7 ]}

ในที่นี้จะกล่าวถึงห้องเมฆแบบแพร่กระจาย ห้องเมฆแบบง่ายประกอบด้วยสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิท แผ่นด้านบนที่อุ่น และแผ่นด้านล่างที่เย็น (ดูรูปที่ 3) จำเป็นต้องมีแหล่งแอลกอฮอล์เหลวที่ด้านอุ่นของห้อง ซึ่งของเหลวจะระเหยกลายเป็นไอ ไอจะเย็นลงเมื่อตกลงมาผ่านก๊าซและควบแน่นบนแผ่นด้านล่างที่เย็น นอกจากนี้ยังต้องใช้รังสีไอออนไนซ์บางชนิดด้วย

ไอโซโพรพานอล เมทานอลหรือไอแอลกอฮอล์อื่นๆ จะทำให้ห้องอิ่มตัว แอลกอฮอล์จะตกลงมาเมื่อเย็นลง และคอนเดนเซอร์เย็นจะสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิที่สูงชัน ผลที่ได้คือสภาพแวดล้อมที่อิ่มตัวยิ่งยวด เมื่ออนุภาคที่มีประจุพลังงานสูงเคลื่อนที่ผ่านก๊าซ พวกมันจะทิ้งร่องรอยการแตกตัวเป็นไอออน ไอแอลกอฮอล์จะควบแน่นรอบๆ ร่องรอยไอออนของก๊าซที่เหลืออยู่จากอนุภาคที่แตกตัวเป็นไอออน สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลของแอลกอฮอล์และน้ำมีขั้ว ส่งผลให้เกิดแรงดึงดูดสุทธิไปยังประจุอิสระที่อยู่ใกล้เคียง (ดูรูปที่ 4) ผลที่ได้คือการก่อตัวคล้ายเมฆหมอก ซึ่งสังเกตได้จากการมีหยดน้ำตกลงสู่คอนเดนเซอร์ เมื่อร่องรอยถูกปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด จุดกำเนิดของพวกมันสามารถระบุได้ง่าย^{[ 8 ]}รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างของอนุภาคอัลฟาจากแหล่งกำเนิดแบบพิน Pb-210 ที่เกิด การกระเจิง แบบ รัทเทอร์ฟอร์ด

เหนือแผ่นควบแน่นเย็นจะมีปริมาตรของห้องซึ่งไวต่อร่องรอยการแตกตัวเป็นไอออน ร่องรอยไอออนที่เกิดจากอนุภาคกัมมันตรังสีเป็นตัวกระตุ้นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการควบแน่นและการก่อตัวของเมฆ ปริมาตรที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงนี้จะสูงขึ้นโดยใช้การไล่ระดับอุณหภูมิที่สูงชันและสภาวะที่คงที่^{[ 8 ]}มักใช้สนามไฟฟ้าแรงสูงเพื่อดึงร่องรอยเมฆลงมายังบริเวณที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของห้องและเพิ่มความไวของห้อง สนามไฟฟ้ายังสามารถป้องกัน "ฝน" พื้นหลังจำนวนมากไม่ให้บดบังบริเวณที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของห้อง ซึ่งเกิดจากการควบแน่นที่ก่อตัวขึ้นเหนือปริมาตรที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของห้อง ทำให้ร่องรอยถูกบดบังด้วยปริมาณน้ำฝนอย่างต่อเนื่อง พื้นหลังสีดำทำให้สังเกตร่องรอยเมฆได้ง่ายขึ้น และโดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบสัมผัสเพื่อส่องสว่างหยดน้ำสีขาวบนพื้นหลังสีดำ บ่อยครั้งที่ร่องรอยจะไม่ปรากฏให้เห็นจนกว่าจะเกิดแอ่งแอลกอฮอล์ตื้นๆ ที่แผ่นควบแน่น

หาก มีการใช้ สนามแม่เหล็กกับห้องเมฆ อนุภาคที่มีประจุบวกและลบจะโค้งไปในทิศทางตรงกันข้าม ตามกฎแรงลอเรนซ์การสร้างสนามที่แรงพอนั้นทำได้ยากด้วยอุปกรณ์ขนาดเล็กสำหรับนักเล่นงานอดิเรก วิธีนี้ยังถูกนำมาใช้เพื่อพิสูจน์การมีอยู่ของโพซิตรอนในปี พ.ศ. 2475 ตามการพิสูจน์ทางทฤษฎีของพอล ดิแรก ซึ่งตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2461 ^{[ 9 ]}

ห้องฟองอากาศถูกคิดค้นโดยDonald A. Glaserจากสหรัฐอเมริกาในปี 1952 และด้วยเหตุนี้เขาจึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1960 ห้องฟองอากาศแสดงร่องรอยของอนุภาคย่อยอะตอมในลักษณะเดียวกัน และกลับหลักการของห้องเมฆเพื่อตรวจจับอนุภาคเหล่านั้นในรูปของร่องรอยฟองอากาศในของเหลวที่ร้อนจัด ซึ่งโดยปกติคือไฮโดรเจนเหลวแทนที่จะเป็นร่องรอยของหยดน้ำในไออิ่มตัว ห้องฟองอากาศสามารถทำให้มีขนาดใหญ่กว่าห้องเมฆได้ และเนื่องจากบรรจุด้วยของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่ามาก จึงสามารถแสดงร่องรอยของอนุภาคที่มีพลังงานสูงกว่าได้มาก ปัจจัยเหล่านี้ทำให้ห้องฟองอากาศกลายเป็นเครื่องตรวจจับอนุภาคที่โดดเด่นอย่างรวดเร็วเป็นเวลาหลายทศวรรษ จนกระทั่งห้องเมฆถูกแทนที่อย่างมีประสิทธิภาพในการวิจัยพื้นฐานในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ^{[ 10 ]}

ห้องประกายไฟเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้โครงข่ายลวดไฟฟ้าที่ไม่มีฉนวนหุ้มในห้องที่บรรจุก๊าซ โดยมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าสูงระหว่างลวด อนุภาคประจุพลังงานสูงจะทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นไอออนตามเส้นทางของอนุภาคในลักษณะเดียวกับในห้องเมฆวิลสัน ในกรณีนี้ สนามไฟฟ้าโดยรอบมีกำลังสูงพอที่จะทำให้เกิดการแตกตัวของก๊าซอย่างเต็มรูปแบบในรูปของประกายไฟ ณ ตำแหน่งของการแตกตัวเป็นไอออนเริ่มต้น จากนั้นจะมีการบันทึกเสียงและตำแหน่งของประกายไฟเหล่านี้ทางไฟฟ้า และข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้เพื่อการวิเคราะห์ในภายหลัง เช่น โดยคอมพิวเตอร์ ดิจิทัล

ปรากฏการณ์การควบแน่นที่คล้ายคลึงกันนี้สามารถสังเกตได้ในรูปของเมฆวิลสันหรือที่เรียกว่าเมฆควบแน่น ในการระเบิดขนาดใหญ่ในอากาศชื้น และปรากฏการณ์ ความเอกฐานของแพรนดท์ล-กลาวเอิร์ต อื่นๆ

• ห้องเมฆที่สร้างขึ้นเอง (อนุภาคเบต้า) ดูเวอร์ชันภาพเคลื่อนไหว เพิ่มเติมได้
• 
  ตัวอย่างห้องเมฆเทอร์โมอิเล็กทริกระบายความร้อนด้วยน้ำ
• 
  การแผ่รังสีของ แร่ ธอร์ไรต์ที่ตรวจพบในห้องเมฆ
• 
  ห้องกระจายเมฆพร้อมตัวดักจับไอออน 4.6 kV
• 
  ห้องกระจายไอแบบ TEC ที่สร้างเอง / ระบายความร้อนด้วยน้ำ (5 ขั้นตอน)
• วิดีโอของห้องวิลสัน
• 
  ห้องทดสอบเมฆในระหว่างงานEuropean Researchers' Nightที่FZU
• 
  ห้องเมฆที่มีร่องรอยที่มองเห็นได้จากรังสีไอออนไนซ์ (เส้นสั้นและหนา: อนุภาคอัลฟา; เส้นยาว,
• 
  ร่องรอยอนุภาคจากไอโซโทปรังสีในห้องเมฆขยายตัว (ซ้าย) ร่องรอยอัลฟาจากแหล่งกำเนิด Am-241 พร้อมร่องรอยเบตาหนึ่งร่องรอยซึ่งอาจมาจากนิวไคลด์กัมมันตรังสีลูกสาว Pa-233 (ขวา) ร่องรอยเบตาจากแหล่งกำเนิด Sr-90/Y-90
• 
  ภาพนี้ถ่ายจากยอดเขาPic du Midiที่ความสูง 2877 เมตร โดยใช้ห้องเมฆ Phywe PJ45 (ขนาดพื้นผิว 45 × 45 ซม.) ภาพหายากนี้แสดงให้เห็นอนุภาค 4 ชนิดที่สามารถตรวจจับได้ในห้องเมฆในภาพเดียว ได้แก่ โปรตอน อิเล็กตรอน มิวออน (น่าจะ) และอัลฟา
• 
  ห้องเมฆอีกห้องหนึ่งในตู้จัดแสดง

• อิมัลชันนิวเคลียร์ – ใช้ในการบันทึกและตรวจสอบอนุภาคประจุความเร็วสูงด้วยเช่นกัน
• ห้องฟองอากาศ
• ห้องประกายไฟ
• ชุดอุปกรณ์วิทยาศาสตร์สำหรับเด็กจากห้องปฏิบัติการพลังงานปรมาณู Gilbert U-238 (ปี 1950–1951)
• ร่องรอยไอควบแน่น
• เนเฟเลสโคป

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับห้องเมฆ (Cloud chambers )

• [เก็บถาวรเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2014 ที่Wayback MachineโดยPeter Wothers , Royal Institution , ธันวาคม 2012]