안개상자

1) 윌슨의 안개상자 (Wilson cloud chamber) :

각종 방사선이나 대전 입자의 궤적을 보기 위해 만든 장치. 1911년 영국의 물리학자인 윌슨(1927년 노벨물리학상 수상)이 고안하였다. 포 화 증기 상태에 알파 입자, 베타 입자, 감마선, X선과 같은 방사선이나 대전 입자를 통과시키면 생기는 안개를 통해 그 궤적을 눈으로 볼 수 있게 한 것이다. 위쪽은 유리로 밀폐되어 있고 아래쪽에는 피스톤으로 구성되어 있다.

[그림 4-1-1] 윌슨안개상자 구조도

이 유리 상자 안에 수증기나 알코올의 혼합 기체를 넣고 피스톤을 아 래로 내리면 단열 팽창이 일어나 과포화 상태가 된다. 이 상태에 방사 선이나 대전 입자를 보내면 기체 분자가 이온화되어 수증기가 응축하 면서 궤적을 따라 안개가 생긴다. 이 안개를 관찰하여 방사선이나 대전 입자의 궤적을 알 수 있는 것이다. 안개 상자에 전자기장을 걸어 주면 양전하와 음전하는 반대로 휘어지므로 입자의 전하, 질량 및 운동량을 알 수 있다.

안개는 공기 중의 수증기가 먼지 따위의 미립자를 핵으로 해서 생기 는데, 스코틀랜드의 물리학자인 윌슨은 미립자가 없어도 이온만 있으 면 이것을 핵으로 안개가 생기는 것을 발견하였다. 피스톤을 움직여 수 증기나 알코올 증기로 포화된 공기를 급팽창시켜 온도를 내린다. 이때 공기는 먼지 등의 미립자를 제거하였기 때문에 응결하지 못하고 과포 화 상태가 된다. 이때 방사선이 통과하면 공기 분자는 이온화되어 이 이온을 핵으로 하여 응결되므로 안개가 생긴다. 이 안개에 강한 빛을 쪼여 주면 방사선이 지나간 경로를 육안으로도 살필 수 있다.

2) 확산안개상자

알렉산더 랭돌프(Alexander Langsdorf) 가 1936 년에 개발한 입자 검출기로 알파선(헬륨-He의 핵 입자선), 감마선, 우주선(우주로부터 들어오는 입자선) 등에 의해 상자 안에서 생긴 응결된 알콜증기의 자취 를 검출하는 장치이다. 이 장치는 1911년 윌슨(C.T.R Wilson)이 개발 한 안개상자를 개량한 형태이다. 확산안개상자는 수증기를 사용하는 안개상자와 달리 알콜증기를 사용한다. 알콜을 상자 위쪽에 위치해서 증발시키고 확산시킨다. 상자 아래쪽에는 드라이아이스를 위치해 놓아 증발된 뒤 확산된 알콜을 과냉각 상태로 만든다. 과냉각된 알콜이 담긴 확산안개상자에 알파선, 감마선, 우주선 등 한 개의 입자 에너지가 충 분히 큰 입사선을 통과시키면 확산안개상자 안에 있는 기체 분자내 원 자와 상호작용을 일으키며 이 결과 분자가 전자를 내놓아 양전기를 띤 이온이 된다. 이 이온들은 응축 핵 역할을 하며 과냉각된 주변 알콜증 기를 상자 안에 입사된 입자의 궤도를 따라 응축시키게 한다. 이렇게 만들어진 궤도의 형태를 보면서 입사된 입자를 구별한다.

확산안개상자에 자기장을 걸게 되면 전하를 띤 입자의 경우 로렌츠 힘에 의해 원형궤도를 그리며 회전하게 되어 원형으로 응축된 자취가 남게 된다. 휘어진 모양이나 정도로 입자의 종류나 속도를 알 수 있다.

예를 들어 전하종류가 다른 즉 한 입자는 (-), 다른 입자는 (+)로 하전 되었다면, 이 두 입자는 회전방향이 반대로 나타나게 된다.

핵반응실험에서 알파입자(헬륨핵)가 통과하게 되면 굵은 직선이 생 기며, 전자의 경우는 가는선이 편향된 형태로 입자를 구별하였다. 우주 선연구등에도 많이 사용된 장치였으나 수명이 짧고 정밀한 측정엔 적 합치 않아 점차 과학교육용으로 사용하게 되었다.

[참고문헌]

네이버캐스트-오늘의 과학:안개상자

Naver 지식백과 – 과학용어사전, 두산백과, Basic 고교생을 위한 물리 용어사 전