غرفة سحابية

غرفة السحاب ، والمعروفة أيضًا باسم غرفة ويلسون ، هي كاشف جسيمات يستخدم لتصوير مرور الإشعاع المؤين .

تتكون غرفة السحاب من بيئة مغلقة تحتوي على بخار مشبع للغاية ^{[ 1 ]} من الماء أو الكحول . يتفاعل جسيم مشحون عالي الطاقة (مثل جسيم ألفا أو بيتا ) مع الخليط الغازي عن طريق انتزاع الإلكترونات من جزيئات الغاز بفعل القوى الكهروستاتيكية أثناء التصادمات، مما ينتج عنه مسار من جزيئات الغاز المتأينة. تعمل الأيونات الناتجة كمراكز تكثيف تتشكل حولها سلسلة ضبابية من قطرات صغيرة إذا كان الخليط الغازي عند نقطة التكثيف. تظهر هذه القطرات على شكل مسار "سحابي" يستمر لعدة ثوانٍ أثناء سقوط القطرات عبر البخار. لهذه المسارات أشكال مميزة. على سبيل المثال، يكون مسار جسيم ألفا سميكًا ومستقيمًا، بينما يكون مسار جسيم بيتا رقيقًا ويظهر عليه المزيد من آثار الانحرافات الناتجة عن التصادمات.

اخترع الفيزيائي الاسكتلندي تشارلز طومسون ريس ويلسون غرف السحاب في أوائل القرن العشرين . وقد لعب دورًا بارزًا في فيزياء الجسيمات التجريبية من عشرينيات القرن العشرين وحتى خمسينياته، إلى أن ظهرت غرفة الفقاعات . وعلى وجه الخصوص، استُخدمت غرف السحاب في اكتشاف البوزيترون عام 1932 (انظر الشكل 1) والميون عام 1936، وكلاهما على يد كارل أندرسون (الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936). كما استُخدمت غرفة السحاب ككاشف في اكتشاف الكاون عام 1947 على يد جورج روتشستر وكليفورد تشارلز بتلر. ^{[ 2 ]} في كل هذه الحالات، كانت الأشعة الكونية مصدر الإشعاع المؤين. ومع ذلك، فقد استُخدمت أيضًا مع مصادر اصطناعية للجسيمات، على سبيل المثال في تطبيقات التصوير الإشعاعي كجزء من مشروع مانهاتن . ^{[ 3 ]}

يُنسب الفضل إلى الفيزيائي الاسكتلندي تشارلز طومسون ريس ويلسون (1869-1959) في اختراع غرفة السحب. فبعد أن استلهم فكرته من مشاهدته لظاهرة بروكن الشبحية أثناء عمله على قمة بن نيفيس عام 1894، بدأ بتطوير غرف التمدد لدراسة تكوين السحب والظواهر البصرية في الهواء الرطب. وسرعان ما اكتشف أن الأيونات يمكن أن تعمل كمراكز لتكوين قطرات الماء في هذه الغرف. فتابع تطبيق هذا الاكتشاف وأتقن تصميم أول غرفة سحب عام 1911.

في حجرة ويلسون الأصلية، كان الهواء داخل الجهاز المغلق مشبعًا ببخار الماء، ثم استُخدم غشاء لتمديد الهواء داخل الحجرة ( تمدد أديباتي )، مما أدى إلى تبريد الهواء وبدء تكثيف بخار الماء. ومن هنا جاء اسم حجرة سحابة التمدد . ^{[ 4 ]} عندما يمر جسيم مؤين عبر الحجرة، يتكثف بخار الماء على الأيونات الناتجة، ويظهر أثر الجسيم في سحابة البخار. وقد استُخدم فيلم سينمائي لتسجيل الصور.

أُجريت تطويرات إضافية على يد باتريك بلاكيت الذي استخدم نابضًا صلبًا لتمديد وضغط الحجرة بسرعة فائقة، مما جعلها حساسة للجسيمات عدة مرات في الثانية. يُطلق على هذا النوع من الحجرات أيضًا اسم الحجرة النبضية لأن ظروف التشغيل لا تُحافظ عليها باستمرار.

حصل ويلسون على نصف جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927 لعمله على غرفة السحاب (في نفس العام الذي حصل فيه آرثر كومبتون على نصف الجائزة لتأثير كومبتون ). ^{[ 5 ]}

طُوِّرت غرفة السحاب الانتشارية عام ١٩٣٦ على يد ألكسندر لانغسدورف . ^{[ ٦ ]} تختلف هذه الغرفة عن غرفة السحاب التمددية في أنها حساسة للإشعاع بشكل مستمر، وفي ضرورة تبريد قاعها إلى درجة حرارة منخفضة نسبيًا، عادةً ما تكون أقل من -٢٦ درجة مئوية (-١٥ درجة فهرنهايت) . يُستخدم الكحول بدلًا من بخار الماء لانخفاض درجة تجمده . تُعد غرف السحاب المبردة بالثلج الجاف أو التبريد الكهروحراري بتأثير بلتييه من الأجهزة الشائعة في العروض التوضيحية والهوايات؛ ويُستخدم فيها عادةً كحول الأيزوبروبيل أو الكحول الميثيلي . ^{[ ٧ ]}  

سنتناول هنا غرف السحب من نوع الانتشار. تتكون غرفة السحب البسيطة من بيئة مغلقة، ولوح علوي دافئ، ولوح سفلي بارد (انظر الشكل 3). وتتطلب هذه الغرفة مصدرًا للكحول السائل في الجانب الدافئ منها، حيث يتبخر السائل مكونًا بخارًا يبرد أثناء مروره عبر الغاز ويتكثف على اللوح السفلي البارد. ويلزم وجود نوع من الإشعاع المؤين.

يُشبع بخار الإيزوبروبانول أو الميثانول أو أي كحول آخر الحجرة. يتساقط الكحول مع انخفاض درجة حرارته، ويُوفر المكثف البارد تدرجًا حراريًا حادًا. والنتيجة هي بيئة فوق مشبعة. عندما تمر الجسيمات المشحونة عالية الطاقة عبر الغاز، فإنها تترك آثار تأين. يتكثف بخار الكحول حول آثار الأيونات الغازية التي خلفتها الجسيمات المؤينة. يحدث هذا لأن جزيئات الكحول والماء قطبية، مما ينتج عنه قوة جذب صافية نحو شحنة حرة قريبة (انظر الشكل 4). والنتيجة هي تكوين ضبابي يشبه السحابة، يُرى من خلال وجود قطرات تتساقط إلى المكثف. عندما تنبعث هذه الآثار من مصدر، يمكن تحديد نقطة منشئها بسهولة. ^{[ 8 ]} يُظهر الشكل 5 مثالًا على جسيم ألفا من مصدر من نوع Pb-210 pin يخضع لتشتت رذرفورد .

يوجد فوق صفيحة المكثف الباردة مباشرةً حيزٌ في الحجرة حساسٌ لمسارات التأين. يوفر أثر الأيونات الذي تخلفه الجسيمات المشعة محفزًا مثاليًا للتكثيف وتكوّن السحب. يُزاد ارتفاع هذا الحيز الحساس باستخدام تدرج حراري حاد وظروف مستقرة. ^{[ 8 ]} غالبًا ما يُستخدم مجال كهربائي قوي لسحب مسارات السحب إلى المنطقة الحساسة من الحجرة وزيادة حساسيتها. كما يُمكن للمجال الكهربائي أن يمنع كميات كبيرة من "المطر" الخلفي من حجب المنطقة الحساسة، والذي ينتج عن تكثف الماء فوق الحيز الحساس، وبالتالي حجب المسارات بسبب الهطول المستمر. تُسهّل الخلفية السوداء ملاحظة مسارات السحب، وعادةً ما يلزم مصدر ضوء مماس لإضاءة القطرات البيضاء على الخلفية السوداء. غالبًا لا تظهر المسارات إلا بعد تكوّن بركة ضحلة من الكحول عند صفيحة المكثف.

إذا تم تطبيق مجال مغناطيسي عبر حجرة السحاب، فإن الجسيمات المشحونة إيجابًا وسلبًا ستنحني في اتجاهين متعاكسين، وفقًا لقانون قوة لورنتز ؛ ومن الصعب تحقيق مجالات قوية بما يكفي باستخدام تجهيزات الهواة الصغيرة. وقد استُخدمت هذه الطريقة أيضًا لإثبات وجود البوزيترون في عام 1932، وفقًا للبرهان النظري الذي قدمه بول ديراك ، والذي نُشر في عام 1928. ^{[ 9 ]}

اخترع دونالد أ. جلاسر من الولايات المتحدة الأمريكية غرفة الفقاعات عام 1952، وحصل بفضل هذا الاختراع على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1960. تكشف غرفة الفقاعات، على غرار غرفة السحاب، مسارات الجسيمات دون الذرية، وتعكس مبدأ غرفة السحاب للكشف عنها كآثار فقاعات في سائل شديد التسخين، عادةً ما يكون الهيدروجين السائل ، بدلاً من آثار قطرات في بخار فائق التشبع. يمكن تصنيع غرف الفقاعات بأحجام أكبر من غرف السحاب، ونظرًا لملئها بمادة سائلة أكثر كثافة، فإنها قادرة على كشف مسارات جسيمات ذات طاقة أعلى بكثير. هذه العوامل جعلت غرفة الفقاعات بسرعة الكاشف الرئيسي للجسيمات لعدة عقود، حتى تم استبدال غرف السحاب فعليًا في البحوث الأساسية مع بداية الستينيات. ^{[ 10 ]}

غرفة الشرارة هي جهاز كهربائي يستخدم شبكة من الأسلاك الكهربائية غير المعزولة داخل حجرة مملوءة بالغاز، مع تطبيق جهد كهربائي عالٍ بين الأسلاك. تتسبب الجسيمات المشحونة عالية الطاقة في تأين الغاز على طول مسارها، تمامًا كما في غرفة ويلسون السحابية؛ في هذه الحالة، تكون المجالات الكهربائية المحيطة عالية بما يكفي لإحداث انهيار كامل للغاز على شكل شرارات عند موضع التأين الأولي. يتم بعد ذلك تسجيل وجود هذه الشرارات وموقعها كهربائيًا، وتُخزن المعلومات لتحليلها لاحقًا، على سبيل المثال بواسطة حاسوب رقمي .

يمكن ملاحظة تأثيرات التكثيف المماثلة مثل سحب ويلسون ، والتي تسمى أيضًا سحب التكثيف، عند الانفجارات الكبيرة في الهواء الرطب وتأثيرات براندتل-جلاورت الأخرى .

• غرفة سحاب منزلية الصنع. (جسيمات بيتا). انظر أيضًا النسخة المتحركة
• 
  مثال على غرفة سحابية كهروحرارية مبردة بالماء
• 
  النشاط الإشعاعي لمعدن الثوريت كما يُرى في غرفة سحابية
• 
  غرفة سحاب الانتشار مع  جهاز تنقية الأيونات بجهد 4.6 كيلو فولت
• 
  غرفة سحابية ناشرة محلية الصنع مبردة بالماء (خمس مراحل) بتقنية التبريد الحراري الكهربائي
• فيديو لغرفة ويلسون
• 
  غرفة سحابية خلال ليلة الباحثين الأوروبيين في جامعة FZU .
• 
  غرفة سحابية ذات آثار مرئية من الإشعاع المؤين (قصيرة، سميكة: جسيمات ألفا؛ طويلة،
• 
  مسارات الجسيمات الناتجة عن النظائر المشعة في غرفة تمدد السحابة. (يسار) مسارات جسيمات ألفا من مصدر الأمريسيوم-241، مع مسار بيتا واحد يُحتمل أن يكون من نظيرته المشعة الناتجة، البازلت-233. (يمين) مسارات جسيمات بيتا من مصدر السترونتيوم-90/الإيتريوم-90.
• 
  صورة التُقطت في جبل بيك دو ميدي على ارتفاع 2877  مترًا داخل غرفة سحابية من طراز Phywe PJ45 (بمساحة سطح 45 × 45 سم). تُظهر هذه الصورة النادرة، في لقطة واحدة، الجسيمات الأربعة التي يُمكن رصدها في غرفة سحابية  : البروتون، والإلكترون، والميون (على الأرجح)، وجسيم ألفا .
• 
  غرفة سحاب أخرى في خزانة عرض

• المستحلب النووي - يستخدم أيضًا لتسجيل ودراسة الجسيمات المشحونة السريعة
• غرفة الفقاعات
• غرفة الشرارة
• مجموعة أدوات علمية للأطفال من مختبر الطاقة الذرية جيلبرت يو-238 (1950-1951)
• أثر التكثيف
• منظار النيفيلسكوب

• داس غوبتا، ن.ن.؛ غوش، س.ك. (1946). "تقرير عن غرفة ويلسون السحابية وتطبيقاتها في الفيزياء". مراجعات الفيزياء الحديثة . 18 (2): 225-365 . Bibcode : 1946RvMP...18..225G . doi : 10.1103/RevModPhys.18.225 .

• مؤرشف بتاريخ 14 سبتمبر 2014 في موقع Wayback Machine ، بقلم بيتر ووترز ، المؤسسة الملكية ، ديسمبر 2012]