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Chambre à brouillard

La chambre à brouillard est le premier appareil imaginé par les physiciens pour mettre en évidence les rayons cosmiques. C’est un récipient en verre, dans lequel on place une atmosphère saturée de vapeur à la pression ambiante. Si on provoque dans cette chambre une brusque détente (baisse de pression), on déplace le point de rosée, et un brouillard se forme à l’intérieur. Si une particule ionisante travers à ce moment-là la chambre, elle provoquera la formation de goutellettes d’eau le long de sa trajectoire. La trajectoire sera ainsi matérialisée par une ligne de goutelettes, qui peut être photographiée. Bien sûr, après la détente, le brouillard ne subsiste que quelques instants, et ce type de chambre ne peut fonctionner en continu. Pour capturer de nombreuses particules, dont l’apparition est aléatoire, on peut s’en remettre au hasard, qui fait parfois bien les choses. Mais une amélioration notable de cet instrument a consisté à placer un détecteur du type compteur Geiger (à ionisation) au-dessus de la chambre, le compteur déclenchant tout le mécanisme. Il faut que la réaction soit extrêmement rapide.

Une version plus simple consiste à produire le brouillard par une atmosphère d’alcool, soumise à un fort gradient de température.

On prend un aquarium en verre de petite taille ; on colle au fond un tissu noir, que l’on imbibera d’alcool à brûler. Le plus difficile est de refroidir la vapeur d’alcool pour provoquer sa condensation. Il faut pour cela une température très basse, que l’on peut obtenir par contact avec un bloc de glace carbonique (ce qui peut s’acheter chez certains industriels, comme par exemple l’Air Liquide). On place le bloc de glace carbonique dans une bassine en plastique isolée par du polystyrène (matériau de construction). On le met en contact avec une plaque de cuivre ou d’aluminium, bonne conductrice de la chaleur, qui ferme la bassine. On renverse l’aquarium, dont le fond est imbibé d’alcool, sur cette plaque.

Il suffit maintenant d’attendre que la température baisse suffisamment. On éclaire l’un des côtés de l’aquarium, et on observe de l’autre. On voit un fin brouillard tomber régulièrement dans cette chambre.

Maintenant, il faut être bien attentif : brutalement, vous pourrez observer un chapelet de goutelettes, qui tombe rapidement vers la plaque métallique. Ce chapelet à été condensé à partir du brouillard par une particule ionisante qui a traversé la chambre. Vous pouvez faire un petit film à l’aide d’un appareil photo numérique, ou d’un camescope.

Une chambre de ce type a été construite au Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) par le professeur José Busto. En voici quelques photos :

On voit la cuve jaune qui contient la glace carbonique, ainsi que l’isolation extérieure en polystyrène. L’intérieur est également garni de polystyrène pour éviter l’évaporation trop rapide de la glace. L’ensemble est maintenu par du ruban adhésif. L’aquarium renversé au-dessus est plaqué sur le support par deux poids posés sur le fond (en haut). On voit également l’éclairage. Le tissus imbibé d’alcool est contre le fond de l’aquarium, en haut. Remarquez le petit tuyau de plastique transparent, qui part du dessus de l’appareil, et rentre dans l’aquarium (percé…) pour permettre de recharger en alcool sans ouvrir l’instrument (et donc sans réchauffer l’intérieur).

Sur cette seconde photo vous voyez la plaque métallique posée sur la glace carbonique, et recouverte d’un tissus noir. L’alcool vient se condenser là.

Ici, vous voyez le fond de l’aquarium, qui constitue le haut de la chambre, habillé du tissus noir imbibé d’alcool. On distingue bien le tuyau d’alimentation.

Le brouillard se forme dans la partie de l’aquarium où la température est favorable à la formation de goutelettes, c’est-à-dire une couche vers le bas de la chambre. C’est là qu’il faut observer les traces.

Voici enfin un film réalisé avec un appareil photo numérique sur pied. Vous y verrez le brouillard qui tombe doucement vers le fond, et de temps en temps des lignes de goutellettes qui matérialisent la trace d’une particule ionisante. Il s’agit en général de muons, particules qui ont exactement les mêmes propriétés que l’électron, mais une masse beaucoup plus importante (ce sont des électrons lourds). Ils sont produits comme particules secondaires par interaction d’un rayon cosmique (particule) avec un atome de l’atmosphère.

Ainsi, avec un matériel simple, on peut mettre en évidence les rayons cosmiques, et leurs interactions avec les atomes de l’atmosphère.

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