안개상자
Cloud Chamber
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방사선 원소를 묻힌 촉에서 궤적이 관측되는 모습.
1. 개요
방사선 입자를 관측할 목적으로 만드는 장치. 주로 α-입자(헬륨 원자핵), 또는 β- 입자(전자)를 관측하는 데 사용된다. 여기에 자기장을 걸어준다면, γ파도 관측이 가능하다.
이 방법을 개발한 아서 홀리 콤프턴과 찰스 윌슨은 1927년 노벨물리학상을 공동 수상했다.
원래는 실험실 환경 내에서 습한 환경의 구름의 형성원리와 안개를 만들기 위해 고안된 장치였다.
2. 분류
안개상자는 그 동작 방식에 따라 팽창형 안개상자, 확산형 안개상자로 나뉜다.
2.1. 팽창형 안개상자
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2.1.1. 동작 원리
전체적인 동작 원리는 아래의 확산형 안개상자와 유사하다. 하지만, 기체를 과포화시키는 방법이 확산형에서는 냉각을 이용하는 데 반해, 팽창형은 갑작스럽게 기체를 팽창을 시킴으로써 과포화 상태로 만들어 버린다.
2.2. 확산형 안개상자
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2.2.1. 동작 원리
일단 작동 원리를 간단하게 요약하자면 다음과 같다.
- 안개상자 상단부에서 이소프로필 알코올이 증발한다.
- 상단부에서 알코올이 증발하면 상온의 온도에 대해 알코올 증기가 과포화 상태가 된다.
- 이때, 드라이아이스 또는 여러 개의 펠티어 소자를 이용하여 하단부를 급속도로 냉각한다.
- 급속도로 냉각되면 공기가 아이소프로필 알코올[1]에 대해 과포화 상태가 된다.[2] 이렇게 되면 갈곳 없는 알코올이 응결핵을 만나기를 기다린다.
그런데 이때! 자연상에 존재하는 방사선 입자(앞서 언급되었던 α,β 입자)가 안개상자 내부를 지나가면..
- 이러한 방사선들이 공기 분자들을 이온화 시킨다. 이온화된 공기 입자들은 응결핵으로 작용하여 알코올 입자들이 거기에 달라 붙어 눈에 보일 정도로 큰 궤적을 그리게 된다.
3. 관측되는 입자
일단 자기장을 걸어주지 않고 관측할 수 있는 입자는 크게 α-입자, β^- 입자가 있다. 그 외에도 우주선 중 뮤온 정도는 지상에서 관측할 수 있다
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3.1. α-입자(헬륨 원자핵)
일단 헬륨 원자핵은 +2 의 전하를 띠고 있는 양성자 덩어리이다. 그렇기 때문에 다음과 같은 특징을 가진다.
- +2 의 전하를 띄어 전자보다 다 큰 전하량을 가지고 있어서 단위 개수당 더 많은 수의 공기 분자를 이온화시킨다.
- 무겁기 때문에 멀리 나아가지 못한다.
3.2. β^- 입자(전자)
베타 마이너스 입자의 정체는 -1 의 전하를 띠고 있는 전자이다. 그렇기 때문에 다음과 같은 특징을 가진다.
- -1의 전하를 띠어, 단위 개수당 훨씬 더 적은 수의 공기 분자를 이온화시킨다.
- 우리는 중학교, 또는 고등학교 때 전자의 질량은 원자핵의 질량의 약 1/1837 배라고 배웠다. 결론은 매우 가벼워서 궤적의 길이가 길다.