Chambre à brouillard

TP 1ière lic. Visualisation trajectoires d’électrons chambre à brouillard
Wilson - 1
TP détecteurs de particules & rayonnements:
Manip : Visualisation de trajectoires d’électrons au moyen d'une
chambre à brouillard
1. But de la manipulation
La manipulation consiste en l'exploitation d'une chambre à brouillard en vue de la visualisation
de trajectoires de particules chargées (électrons et, éventuellement, de trajectoires du
rayonnement cosmique) au moyen d'une chambre à brouillard ou chambre de Wilson.
Le but de la manipulation est de vous faire mieux connaître les traces laissées par les particules
(chargées) et en déduire quelques propriétés des particules.
2. Dispositif expérimental
Chambre de Wilson ou chambre à brouillard
Les recherches de Charles Wilson portaient sur la condensation, l'électricité atmosphérique et les
rayonnements. Il émit notamment l'hypothèse du rayonnement cosmique. En 1912, il mit au point
la chambre à brouillard (Cloud chamber) qui porte son nom et qui permet de visualiser la
trajectoire d'une particule chargée. Il fut professeur de physique à Cambridge à partir de 1925 et
il reçut le prix Nobel de physique pour son invention en 1927, en même temps qu'Arthur
Compton
Ce détecteur est constitué d'une enceinte fermée par un piston et contenant du gaz (air ou argon
par exemple) saturé de vapeur (eau ou alcool). Une détente adiabatique effectuée grâce au piston
entraîne un refroidissement du gaz et amène la pression partielle de vapeur d'eau à une valeur
supérieure à la pression de vapeur saturante @ gaz sursaturé en vapeur. La vapeur a alors
tendance à se condenser en brouillard, ce qu'elle fait de préférence le long de la trajectoire d'une
particule chargée traversant la chambre sous l'effet de l'ionisation. Ce qui donne une trajectoire
sous forme d'une fine ligne de gouttelettes liquides.
La chambre reste sensible très peu de temps (≈0,1 seconde) après l'expansion. On illumine la
chambre et on prend une photographie de son contenu. La chambre se trouve en général à
l'intérieur d'un champ magnétique de l'ordre du Tesla. Un intervalle de quelques minutes a lieu
entre deux détentes successives, afin de laisser au système le temps de retrouver son équilibre
thermodynamique.
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Wilson - 2
Figure: Schéma d'une chambre à brouillard.
NB Dans la manipulation, il n'y a pas de piston @ le refroidissement s'obtient en posant la
chambre sur de la neige carbonique (- 63°C). paraît
@ Ce type de détecteur a permis entre autre, la découverte du neutron (1932, mesure indirecte),
le positron (1933) et les premières particules étranges du rayonnement cosmique. Le désavantage
de ce détecteur est le fait que l'on ne peut pas obtenir le point d'interaction des particules.
Source de radiations
Source d’électrons de204Tl : assez directionnelle (vérifier la surface d'émission de la source
scellée dans une pastille d'aluminium) @ ne pas diriger le faisceau d'électrons vers soi ou son
collègue !
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MANIPULATION : visualisation de traces d'électrons au
moyen d'une chambre à brouillard
@ Retrouver la valeur exacte du flux cosmique attendu au labo [PDG].
@ Retrouver [Web]: 1 ou 2 clichés de chambre à brouillard avec leur explication !
Le détecteur est constitué d'un cylindre en plastique de ≈ 1 cm de haut et ≈ 10 cm de diamètre tel
que schématisé ci-contre.
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Préparation du brouillard
1/ fabriquer de la neige carbonique (bouteille de gaz bleu) en ouvrant le détendeur et en laissant
échapper le CO2 via un cornet vers un sac maintenu autour du cornet : ATTENTION utiliser des
gants de protection !!! Placer la neige en la fragmentant dans une boîte en frigolite (5).
2/ remplir la chambre (1) de vapeur. Pour ce faire, imbiber le fond noir de la chambre ainsi
qu'une languette de papier buvard d'alcool, puis la placer contre le bord latéral (2) du cylindre.
Attention: veiller à ne pas cacher le petit hublot d'observation (3). Placer le couvercle.
Faire évaporer l'alcool en serrant la chambre dans les mains ou en utilisant un sèche-cheveux
pour accélérer l'évaporation.
ATTENTION: au départ ne pas boucher l'orifice d'évaporation latéral (4), afin d'évacuer la
vapeur d'eau contenue dans l'air de la boîte; puis fermer l'orifice au moyen de papier collant afin
d'empêcher la vapeur d'alcool de s'échapper avant de réchauffer à nouveau.
3/ @ placer la chambre sur le lit de neige carbonique (étape de refroidissement brusque).
Après quelques minutes, un brouillard apparaît dans le fond de la chambre et forme ensuite des
volutes car une différence de température existe entre le fond (en contact avec la neige
carbonique) et le haut de la chambre à température ambiante, ce qui engendre de petits courants
de convection que la vapeur va suivre. ATTENTION : Ce brouillard ne durera que quelques
minutes, après quoi il faudra recommencer l'opération décrite en (2).
4/ @ placer la source de Tl sur le couvercle de la chambre (diriger le faisceau β vers la chambre),
éclairer fortement la chambre et observer par le petit hublot … (ou éventuellement par le dessus
de la chambre @ placer alors la source de Tl latéralement). Il est à noter qu'il est souvent
nécessaire de procéder à plusieurs tentatives avant de parvenir à l'observation du phénomène
voulu c-à-d la visualisation de traces d'électrons.
ATTENTION : essayer différentes directions d'observation, différentes orientations d'éclairage,
ne pas se décourager : le faisceau d'électrons vous apparaîtra comme "une petite pluie" de
gouttelettes brillantes dans le brouillard.
Tenter éventuellement d'apercevoir la trace d'une particule cosmique.
@ de quel type de particule s'agirait –il alors ? pensez-vous pouvoir en observer beaucoup ?