ห้องหมอกแบบการแพร่ DIFFUSION CLOUD CHAMBER

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ห้องหมอกเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้สามารถมองเห็นรอยทางของการเคลื่อนที่ของอนุภาค ที่ตามปกติตามองไม่เห็นให้เห็นได้ในทางอ้อม ห้องหมอกที่ประดิษฐ์ขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1912 โดยชาร์ลส์ วิลสันใช้หลักการขยายตัวของอากาศภายในห้องหมอกที่อิ่มตัวด้วยน้ำ ซึ่งทำให้อุณหภูมิของไอน้ำลดลงและกลั่นตัวเป็นละอองเมฆ จึงอาจเรียกห้องหมอกชนิดนี้ว่าห้องหมอกแบบการขยายตัว (expansion cloud chamber) ห้องหมอกแบบนี้มีข้อด้อยที่มีกระบวนการทำงานไม่ต่อเนื่อง ต่อมาในปี ค.ศ. 1936 มีการประดิษฐ์ห้องหมอกขึ้นอีกแบบหนึ่งซึ่งทำงานได้ต่อเนื่องโดยใช้หลักการแพร่ของอากาศภายในห้องหมอก จึงเรียกว่าห้องหมอกแบบการแพร่ (diffusion cloud chamber)

 
 
อะเล็กซานเดอร์ แลงส์ดอร์ฟ จูเนียร์ (http://photos.aip.org/)

การปรับปรุงห้องหมอกของวิลสันให้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องเป็นงานวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกที่สถาบันเอ็มไอที (Massachusetts Institute of Technology) ของอะเล็กซานเดอร์ แลงส์ดอร์ฟ จูเนียร์ (Alexander Langsdorf Jr.) ซึ่งอาศัยหลักความแตกต่างของอุณหภูมิหรือที่เรียกว่าเกรเดียนต์อุณภูมิ (temperature gradient) โดยการทำให้ที่ก้นของห้องหมอกมีอุณหภูมิต่ำมาก ๆ โดยใช้น้ำแข็งแห้ง แต่ปล่อยตอนบนของห้องหมอกอุ่นกว่า (อาจให้ความร้อนด้วยถุงน้ำร้อน) และใช้แอลกอฮอล์ชุบกับผ้าหรือสักหลาดติดไว้ที่ขอบตอนบนของห้องหมก อุณหภูมิตอนบนของห้องหมอกที่อุ่นกว่าจะทำให้แอลกอฮอล์ซึ่งระเหยง่าย เกิดการระเหยและแพร่ (diffuse) จากที่อุณหภูมิสูงไปยังที่อุณหภูมิต่ำทางด้านล่างของห้องหมอก ทำให้อากาศเหนือบริเวณก้นของห้องหมอกอิ่มตัวยวดยิ่ง (supersaturate) ด้วยไอของแอลกอฮอล์อย่างต่อเนื่องยาวนานพร้อมที่จะควบแน่นเกิดเป็นเมฆอยู่ตลอดเวลา และทันทีที่มีอนุภาคพลังงานสูงเคลื่อนผ่านไปในห้องหมอก ก็จะไปทำให้โมเลกุลของอากาศเกิดไอออนอิสระตลอดทางที่อนุภาคผ่านไป ไอออนอิสระเหล่านี้เองที่เป็นสื่อให้ไอของแอลกอฮอล์ควบแน่นมาเกาะและเห็นเป็นรอยทางเมฆ

ห้องหมอกแบบการแพร่นี้ สามารถลองประดิษฐ์สำหรับการสอนในสถานศึกษาได้ง่าย ๆ โดยมีข้อสังเกตว่า ประการแรกตัวห้องหมอกให้ใช้วัสดุใสที่มองทะลุเข้าไปได้ ประการที่สองที่ก้นของห้องหมอกให้ใช้เป็นแผ่นโลหะเช่นแผ่นอะลูมิเนียม ซึ่งเมื่อวางลงบนน้ำแข็งแห้งแล้ว สามารถพาความเย็นจากน้ำแข็งแห้งเข้าไปในก้นห้องหมอกได้ดี และอีกประการหนึ่งคือ ควรใช้แสงไฟส่องเหนือก้นห้องหมอกเพื่อให้เห็นรอยทางเมฆได้ชัดเจนขึ้น

 
 
แผนภาพห้องหมอกแบบการแพร่ (http://www.lns.cornell.edu/)
ห้องหมอกแบบการแพร่และตัวอย่างรอยทางเมฆที่สามารถเห็นได้ (www.scifun.ed.ac.uk/.../pp4ss-cloud_chamber.html)
อ้างอิง
  • A Continuously Sensitive Diffusion Cloud Chamber' (13 pages, 13.5 Mb), A.L. Langsdorf, Jr., Review of Scientific Instruments 10, 91 (1939).