Chambre à brouillard

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1 Chambre à brouillard ULB Ecole polytechnique de Bruxelles Département Métrologie nucléaire Lisart Théo, Dajeka Sofija, Leponce Quentin, Oubraham Laura, Sabot Frédéric, Schiffmann Simon, Verstraeten Maxime, Wilmet Thomas, Desmeth Quentin, Deslypere Clara, Kubushishi Live-Palm, Weil Mathias, Nandrin Jeff, De Pauw Cédrick Dans le cadre du projet de deuxième année de l école polytechnique de Bruxelles, deux groupes d étudiants ont dû s atteler à la réalisation d une chambre à brouillard. Il s agit d un dispositif de démonstration qui a été réalisé pour la première fois, dans cette version, dans les années cinquante. La chambre à brouillard à diffusion permet d observer directement l action des rayonnements ionisants sur l environnement et ainsi apporter un sens de réel à certains phénomènes qui nous sont complètement invisibles. Dans la gamme des détecteurs de particules à gaz, le principe de la chambre à brouillard est simple dans la réalisation mais complexe dans les phénomènes observés. Premièrement, il est fondamental pour comprendre l expérience le principe de métastabilité. C est un mot un peu compliqué pour dire qu une certaine solution chimique est stable sous forme gazeuse (comme l eau gelée reste de la glace tant que l on reste en dessous de zéro degré Celsius), mais qui peut -si on lui donne suffisamment d énergie- se condenser sous forme liquide. C est exactement ce processus qui va être exploité dans la chambre à brouillard. Dans une enceinte est porté à ébullition un alcool sous forme liquide. Lors du choix du liquide il faut prendre en compte les températures d ébullition des liquides qui ne doivent pas être trop élevées pour des raisons pratiques, les molécules formant le liquide doivent être polaires (c est à dire que les électrons autour des atomes de la molécule doivent être disposés de sorte que toutes les charges ne s annulent pas entre-elles). Pour atteindre cet état métastable il faut premièrement amener le gaz en sursaturation dans l enceinte. C est à dire que l air ne peut plus accueillir de nouvelle molécule de gaz sans le condenser sur la vitre de la chambre. Ensuite, il faut refroidir la base de la chambre pour créer une grande différence de température. A l aide de la glace carbonique, on peut refroidir la base de la chambre à -50 degrés Celsius dans le premier dispositif ; le second dispositif utilisant des éléments peltiers, c est à dire des pièces thermoélectriques, mettant une différence de température entre le haut de la chambre très grand, la vapeur entre en métastabilité. Une fois la métastabilité atteinte, des phénomènes surprenants apparaissent. En plaçant des matériaux à faible radioactivité dans la chambre, des traces blanches émergent de la vapeur. Il s agit des conséquences du passage de rayonnements ionisants! Il en existe naturellement plusieurs types : à des niveaux d énergie différents : -Premièrement les rayonnements alphas, qui sont des noyaux d hélium à haute énergie, spontanément éjectés lors de la désintégration de noyaux lourds. Ceux-ci étant très chargés (4 charges positives étant donné qu ils sont formés de 4 protons), ils attirent très fortement les molécules du gaz en suspension, fournissant assez d énergie pour que le gaz se condense au passage de la particule. La condensation locale sur la trajectoire réfractant la lumière ambiante, le mouvement des particules se révèlent. - Une autre famille de rayonnements visible serait les rayonnements bêta plus et bêta moins. Ces deux modes sont également issus de la désintégration radioactive de noyaux lourds, le bêta plus génère de la désintégration du neutron, un un positron (l anti-particule de l électron, de charge positive) et un neutrino, et le bêta moins génère du neutron un électron et un anti-neutrino. Comme on a ici des particules beaucoup moins énergétiques et chargées que pour les radiations alpha, les trajectoires dans la chambre seront beaucoup moins droites, les électrons libres vont avoir une trajectoire beaucoup plus erratique. - Finalement le troisième type de rayonnement observé est en fait, une observation indirecte. Les rayons lumineux à très haute énergie, les rayons gamma produits par le soleil sont stoppés par la couche d ozone, mais l interaction en l ozone et les rayons produisent des électrons libres à très haute énergie et des muons cosmiques à très haute énergie. Tous deux observables également dans la chambre par des trajectoires rectilignes.

2 Malheureusement il est impossible de rigoureusement différencier ces rayonnements dans ce type de chambre, des mesures plus précises couplées à un spectromètre de masse pourraient différencier les particules chargées de masse différente. La chambre à brouillard est un instrument simple, mais profondément importante dans l histoire des sciences comme il s agit d une élévation de la perception de l Homme face aux phénomènes invisibles. Elle offre en effet la possibilité d ouvrir une porte sur l infiniment petit qui nous a été inaccessible pendant des millénaires.

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