Cámara de niebla

Una cámara de niebla hace visible lo invisible: el vapor de alcohol, sobresaturado sobre una placa helada, se condensa en gotitas allí donde una partícula cargada ha dejado iones. Pon una muestra en la aguja y mira: cada tipo de radiación dibuja su propia firma.

La muestra de la aguja

Todas con la misma masa en la punta de la aguja. Cambia de muestra para comparar las trazas; cambia la masa para comparar las actividades, o pon la de un objeto real, como un detector de humo o una jeringa de un PET.

La cámara

La cámara está a escala: 30 × 18 cm, con una regla de 5 cm abajo a la izquierda. Se ve de frente la capa sensible, a pocos milímetros de la placa fría; las gotas caen hacia ella y se evaporan en unos segundos. La llovizna tenue del fondo es la de cualquier cámara de difusión y no marca nada.

Lo que sale de la aguja

Cómo reconocer cada traza

Alfa: Corta, gruesa y recta, como un trazo de tiza. Es un núcleo de helio: pesado y con carga doble, ioniza muchísimo y se para en unos centímetros de aire. Al final se engrosa, porque es donde más ioniza.
Beta: Fina, más larga y tortuosa. Es un electrón: ligero, se desvía en cada choque, y cuanto más se frena más se enrosca. Las muy rápidas cruzan la cámara casi rectas.
Gamma: No deja traza: un fotón no tiene carga. Solo se ve, muy de vez en cuando, el electrón que arranca al chocar con el aire, y aparece en cualquier punto de la cámara, no pegado a la aguja.
Muón cósmico: Una línea fina y recta que cruza la cámara entera, casi siempre de arriba abajo. No viene de la muestra sino del cielo: son restos de rayos cósmicos, del orden de uno por centímetro cuadrado y minuto a nivel del mar.

Descripciones del manual de cámara de niebla del CERN (S'Cool LAB) y de la bibliografía divulgativa citada al pie.

La misma masa, actividades muy distintas

Cómo se simula

Qué sale y cuánto: las emisiones evaluadas del OIEA para cada núclido y sus hijas, y la actividad calculada a partir del periodo y la masa atómica del catálogo.
Alfa: una línea recta cuyo largo es el alcance CSDA en aire que da NIST (ASTAR) para su energía, con más gotas donde más frena —el pico de Bragg, al final—.
Beta: la energía se sortea del espectro, porque cada beta comparte la suya con un antineutrino. La forma usa la función de Fermi relativista y, en las ramas prohibidas únicas que identifica la DDEP (Sr-90, Y-90, Cs-137, K-40), su factor de forma. El electrón avanza a pasos, perdiendo energía según ESTAR y desviándose con la fórmula de Highland: recto cuando va rápido, enroscado al final. Los electrones de conversión salen con su energía fija, del OIEA.
Gamma: cada fotón choca en la cámara con probabilidad 1 − e^(−µL), contando solo los procesos que arrancan un electrón —fotoeléctrico, Compton y pares— con las secciones eficaces del aire de NIST XCOM; la dispersión coherente desvía el fotón sin dejar nada. Si choca, el proceso se sortea con esas mismas secciones, y el electrón sale con la energía y el ángulo de Klein–Nishina (Compton), con toda la del fotón (fotoeléctrico) o como un par electrón-positrón.
Las gotas aparecen a la vez en toda la traza, crecen en décimas de segundo, caen juntas hacia la placa a ≈1 cm/s y se evaporan en 2–4 s; mientras, se difunden y engordan, así que una traza fresca es fina y nítida y una vieja, ancha y blanda, como en las fotos. La alfa lleva un núcleo denso con un halo tenue y se ensancha hacia el final. Cuántas gotas hay por centímetro sigue a la ionización, comprimida con una raíz cuadrada: a escala real, una alfa ioniza cientos de veces más que una beta, y las betas no se verían. La luz de las gotas se suma: lo denso satura en blanco.
Cuando la muestra emite más de lo que se puede dibujar, se dibuja una fracción al azar y la cámara dice cuál. La velocidad acelera las desintegraciones, no la caída de las gotas.

Lo que este modelo simplifica

La capa sensible se toma de 1,5 cm de grosor (PhysicsOpenLab da de 1 a 2 cm). Las partículas salen en cualquier dirección del espacio y solo se dibuja lo que pasa por la capa, desenfocado cerca de sus bordes: por eso hay alfas de la misma energía que no miden lo mismo. Y una licencia de dibujo: en una cámara de difusión real esa capa es horizontal, pegada a la placa fría, y se mira desde arriba; aquí se dibuja como si se mirara de lado, para que se vea caer la niebla. Visto desde arriba, las gotas se hundirían hacia la placa en vez de cruzar la imagen, y los muones dejarían trazas más cortas.
En las fuentes gruesas —el radio, el torio y la uraninita— cada alfa sale con una fracción al azar de su alcance, como si naciera a cualquier profundidad del mineral. La fracción de radón o torón que escapa se supone del 10 %, dentro del 2–70 % que da la HPS; lo que ese gas deja después (Pb-210, Pb-212) se deposita en las paredes y no se dibuja.
En la uraninita se simulan las dos cadenas enteras, la del U-238 y la del U-235 (actinio), con las ramas del Ac-227 y del Bi-211 leídas del catálogo. El radón-219 de la segunda vive 4 segundos y se supone que no escapa de la roca.
Los positrones (F-18, Ga-68, Na-22) se dibujan como betas, porque sin un imán su traza es igual; su espectro sí es el suyo, sin positrones lentos. Sus fotones de aniquilación salen de la aguja, aunque en el aire el positrón puede recorrer centímetros antes de aniquilarse.
La forma del espectro beta se comprueba con la energía media que publica el OIEA de cada rama: en las ramas de estas muestras se desvía un 1 % de media, y como mucho un 5 % en el Cs-137 y el K-40, cuyo factor de forma se toma con los coeficientes de Coulomb iguales a uno. Las prohibidas no únicas se tratan como permitidas.
Solo cuenta el aire de la cámara: no se simulan los electrones que los gammas arrancan en las paredes, la mesa o la propia aguja, que en una cámara real suelen ser más que los del aire.
La fórmula de Highland está pensada para tramos más largos, y los choques fuertes contra un núcleo se añaden a mano (un 3 % de los pasos se desvía entre 3 y 8 veces lo típico): la forma de las betas es cualitativa, no una estadística exacta de sus desviaciones.
La muestra es una capa fina en la punta de la aguja y no frena sus propias alfas. Con una muestra gruesa, muchas se quedarían dentro.
Los dos plutonios se simulan puros. El de armas y el de reactor son mezclas con Pu-240 y Pu-241, y este último, con sus betas blandísimas, dominaría la actividad.
No existe una composición única del uranio enriquecido: depende del proceso. Se usan dos ejemplos citados —el del OIEA para combustible al 4 % y el de Glaser para uranio al 93 %— y la actividad depende sobre todo de su U-234.