PROJETOS ESPECIAIS
A câmara de nuvens - ou câmara de Wilson.

Objetivo

Construir uma câmara de nuvens, também chamada de câmara de Wilson, e observar as trilhas de partículas sub-atômicas emitidas por substâncias radioativas.

Descrição

Uma câmara de nuvens, também chamada de câmara de Wilson, em homenagem a seu inventor, C. R. Wilson, é um dispositivo que mostra o rastro deixado por partículas sub-atômicas. A câmara que vamos descrever é bem mais simples que a câmara original de Wilson mas funciona.
A câmara será feita de um vidro de boca larga, transparente, com tampa de rosquear. Pode ser um vidro de geléia mas seria bom arranjar um vidro resistente e não muito pequeno.

 

Corte um papel mata-borrão, ou uma esponja fina, em forma de disco, com o diâmetro igual ao fundo do vidro. Fixe esse disco no fundo do vidro com colatudo de boa qualidade. Corte outro disco, agora feito de pano preto (veludo, por exemplo) e cole-o na parte de dentro da tampa. Prenda a fonte radioativa na parte interna da tampa. Derrame um pouco de álcool anidro dentro do vidro ainda aberto e agite bem para ensopar o papel ou esponja. Se sobrar algum excesso de álcool, derrame-o fora. Tampe o vidro, ponha-o com a tampa para baixo e espere uns 15 minutos. Enquanto espera, encha um prato fundo de gelo seco (CO2 sólido) e cubra com um pano fino. Coloque o vidro, com a tampa para baixo, sobre o pano que cobre o gelo seco. O álcool dentro do vidro esfria bastante, ficando em um estado chamado de supersaturado. Nesse estado, qualquer perturbação pode condensar o álcool vaporizado. Escureça a sala e ilumine o vidro com uma boa lanterna. Nesse ponto, se tudo correr bem, deve ser possível observar algumas trilhas deixadas pelas partículas emitidas pelo material radioativo. Se você dispõe de uma câmera fotográfica, fotografe essa trilhas para mostrar na Feira. Talvez seja necessário deixar o obturador aberto durante alguns segundos.


Esquema da câmara de nuvens.


Algumas trilhas típicas.

Análise

As trilhas que vemos na câmara são feitas de moléculas de álcool que se condensam como a água se condensa em uma nuvem (daí o nome). Uma partícula sub-atômica ejetada pelo material radioativo sai em linha reta. Ao passar por uma molécula de ar ou álcool, a partícula pode arrancar um ou mais elétrons da molécula, ionizando-a. Esses íons, ao se formarem, atraem as moléculas de vapor que estão nas proximidades, condensando-as em forma de gotículas bem pequenas. São essas gotículas que espalham a luz e formam as trilhas indicando o caminho por onde passou a partícula sub-atômica.

É possível que apareça outro tipo de trilha, mais fina, que não se originam de partículas emitidas pela fonte radioativa. Essas, provavelmente, são devidas a raios cósmicos que passam pela câmara enquanto estamos observando. Esses raios cósmicos também são formados de partículas, só que se originam nas altas camadas da atmosfera ou mesmo no espaço exterior. Alguns vêm de muito longe, de fora do sistema solar ou mesmo da galáxia. Se sua câmara for muito bem feita, você nem precisará de uma fonte radioativa: bastam os raios cósmicos que sempre estão por aqui.

 

Para melhorar bastante o desempenho de sua câmara, serão necessários cuidados especiais. Envolva o vidro com um cilindro de papel preto deixando duas fendas retangulares deslocadas de noventa graus, uma da outra. Uma delas fica a uns 2 ou 3 centímetros acima da parte que terá contacto com o gelo seco. A parte de baixo da outra deve coincidir com a parte de cima desta. Ilumine o interior do vidro com uma luz bem forte através da fenda inferior. Use, por exemplo, o feixe de luz de um projetor de slides. Observe e fotografe as trilhas pela fenda superior.

Para saber se as partículas que geram uma trilha são eletricamente carregadas, aproxime um ímã forte de sua câmara. Se a partícula tiver carga, a trilha aparecerá curva.

Material

Um vidro de geléia ou outro qualquer, transparente e de boca larga, com tampa rosqueada.
Feltro ou veludo preto.
Papel absorvente, tipo mata-borrão, ou esponja fina e densa.
Gelo seco. Esse é o nome que se dá ao CO2 no estado sólido. Na pressão atmosférica normal, o gelo seco é sólido e está a uma temperatura de -56,5oC. Acondicione o gelo seco em uma garrafa térmica grande. Não tampe a garrafa pois o gás carbônico liberado tem de ter para onde escoar. O gelo seco, em contacto com a atmosfera, passa de sólido diretamente a gás, em uma mudança de fase chamada sublimação. Uma garrafa térmica de gelo seco deve durar várias horas antes do material sublimar completamente. Gelo seco pode ser comprado em alguns fornecedores de material hospitalar ou de refrigeração. Não é muito caro e, se você tiver sorte, pode conseguir algum de graça. Cuidado para não tocar no gelo seco pois ele queima a pele.
Álcool anidro, vendido em farmácias.
Lanterna e projetor de slides
Fonte radioativa. Esse é o ponto crítico dessa experiência - onde arranjar uma fonte radioativa suficientemente intensa para que sua experiência funcione mas convenientemente fraca para não ser perigosa. Alguns palpites:
a) Material tirado dos números ou dos ponteiros de um velho relógio luminoso
b) Certas tintas luminosas ou outro material que brilha no escuro.
c) Parece que alguns detetores de fumaça usam um material fracamente radioativo.
d) Velas de lâmpadas a gás, tipo camping. Algumas são fracamente radioativas.
e) Em cidades grandes existem lojas especializadas em material científico e nelas talvez existam fontes radioativas baratas. Outra possibilidade é visitar o departamento de física da universidade mais próxima e consultar um especialista.
De qualquer modo, tenha extremo cuidado ao manipular material radioativo, fraco ou não. Use luvas e não guarde o material no bolso nem fique perto dele um tempo exagerado. Nesses tipos de amostras citados acima a radioatividade é tão baixa que o risco é muito pequeno, quase desprezível. Mas, seguro morreu de velho.

Dicas

Só escolha essa experiência se tiver bastante tempo para prepará-la. É um projeto um tanto elaborado, que exige boa dose de habilidade manual, paciência e criatividade. Quando funciona é uma maravilha e pode ser candidata a um prêmio na Feira.
A câmara pode não funcionar por vários motivos. Se a quantidade de vapor for excessiva, ela fica enevoada e opaca. Espere vários minutos até ela clarear. Uma das razões frequentes para o mau funcionamento da câmara é uma tampa sem vedamento. É essencial que o vidro fique hermeticamente vedado. Por outro lado, se a tampa for muito espessa e de material termicamente isolante, o gelo seco não conseguirá resfriar o álcool e não haverá condensação. Use tampas metálicas finas ou, se necessário, lixe a que você tem até deixá-la bem fina.
Às vezes é preciso experimentar com vários vidros de tamanhos e formatos diversos até achar um que seja o mais adequado para funcionar como câmara de nuvens.