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방사선 원소를 묻힌 촉에서 궤적이 관측되는 모습.
1. 개요
방사선 입자를 관측할 목적으로 만드는 장치. 주로 α-입자(헬륨 원자핵), 또는 β- 입자(전자)를 관측하는 데 사용된다. 여기에 자기장을 걸어준다면, γ파도 관측이 가능하다.원래는 실험실 환경 내에서 습한 환경의 구름의 형성원리와 안개를 만들기 위해 고안된 장치였다. 1911년 스코틀랜드의 물리학자 찰스 윌슨이 브로켄의 요괴를 인위적으로 만들기 위해 안개를 일으키는 이것을 만들었는데 그 상자가 방사선을 감지했고 이 때문에 그는 아서 홀리 콤프턴과 함께 1927년 노벨물리학상을 수상했다.
2. 분류
안개상자는 그 동작 방식에 따라 팽창형 안개상자, 확산형 안개상자로 나뉜다.2.1. 팽창형 안개상자
2.1.1. 동작 원리
전체적인 동작 원리는 아래의 확산형 안개상자와 유사하다. 하지만, 기체를 과포화시키는 방법이 확산형에서는 냉각을 이용하는 데 반해, 팽창형은 갑작스럽게 기체를 팽창을 시킴으로써 과포화 상태로 만들어 버린다.2.2. 확산형 안개상자
2.2.1. 동작 원리
일단 작동 원리를 간단하게 요약하자면 다음과 같다.- 안개상자 상단부에서 아이소프로필 알코올이 증발한다.
- 상단부에서 알코올이 증발하면 상온의 온도에 대해 알코올 증기가 포화 상태가 된다.
- 이때, 드라이아이스 또는 여러 개의 펠티어 소자를 이용하여 하단부를 급속도로 냉각한다.
- 급속도로 냉각되면 공기가 아이소프로필 알코올[1]에 대해 과포화 상태가 된다.[2] 이렇게 되면 갈 곳 없는 알코올이 응결핵을 만나기를 기다린다.
- 이때 자연상에 존재하는 방사선 입자(앞서 언급되었던 α,β 입자)가 안개상자 내부를 지나가면 방사선들이 공기 분자들을 이온화시킨다. 이온화된 공기 입자들은 응결핵으로 작용하여 알코올 입자들이 거기에 달라붙어 눈에 보일 정도로 큰 궤적을 그리게 된다.
3. 관측되는 입자
일단 자기장을 걸어주지 않고 관측할 수 있는 입자는 크게 α-입자, β^- 입자가 있다. 그 외에도 우주선 중 뮤온 정도는 지상에서 관측할 수 있다3.1. α-입자(헬륨 원자핵)
일단 헬륨 원자핵은 +2 의 전하를 띠고 있는 양성자 덩어리이다. 그렇기 때문에 다음과 같은 특징을 가진다.- +2 의 전하를 띄어 전자보다 다 큰 전하량을 가지고 있어서 단위 개수당 더 많은 수의 공기 분자를 이온화시킨다.
- 무겁기 때문에 멀리 나아가지 못한다.
따라서, 이러한 특징을 종합해 보면 굵고 짧은 궤적이 나타난다고 결론지을 수 있다.
3.2. β- 입자(전자)
베타 마이너스 입자의 정체는 -1 의 전하를 띠고 있는 전자이다. 그렇기 때문에 다음과 같은 특징을 가진다.- -1의 전하를 띠어, 단위 개수당 훨씬 더 적은 수의 공기 분자를 이온화시킨다.
- 우리는 중학교, 또는 고등학교 때 전자의 질량은 원자핵의 질량의 약 1/1837 배라고 배웠다. 결론은 매우 가벼워서 궤적의 길이가 길다.
따라서, 이러한 특징을 종합해 보면 가늘고 꼬불꼬불한 궤적이 나타난다고 결론지을 수 있다.
4. 방사선 방출 모습
[1]
프로판올의 이성질체중 하나이다.
[2]
온도에 따른 증기 포화곡선을 생각해 보자. 온도가 더 높을 수록 포화 증기압은 커진다. 즉, 고온의 포화 증기가 기체 상태를 유지한 채로 급냉각되면 증기 분압이 포화 증기압보다 높은 상태인 과포화상태가 된다.