2) Principe de fonctionnement d’une chambre à brouillard à diffusion (Chambre de Langsdorf)
Les chambres à brouillard à diffusion sont pédagogiquement plus intéressante pour étudier la radioactivité car la visualisation des rayonnements se fait de façon continu et sur de grandes surfaces sensible.
Le principe de fonctionnement à des température négative impose que le solvant soit de l’alcool car sa température de solidification est bien plus basse que l’eau (-114°C).
Dans une enceinte semi-étanche à l’air ambiant (schéma ci-dessous), une surface noire est portée à une température de -30°C . En haut de la chambre des supports permettent de contenir de l’éthanol liquide. Une partie de l’alcool s’évapore naturellement grâce à sa pression de vapeur et lorsque les vapeurs d’alcool entrent en contact avec le bas de la chambre porté à une très basse température, elles se condensent sous forme de gouttelettes créant un brouillard, l’air contenant toujours une quantité appréciable de poussières.
Toutefois, une petite fraction des vapeurs d’alcool refroidies par l’intermédiaire de la surface froide ne se condensent pas et flottent au dessus de la surface formant un volume sursaturé en vapeur instable. Il suffira d’une perturbation dans ce volume de gaz instable pour que ces vapeurs retournent à un état plus stable (l’état liquide). L’épaisseur du volume de gaz sensible est de quelques millimètres, situé juste au dessus de la surface de la chambre.
La transition d’un état à un autre (ici la condensation de l’alcool gazeux) est facilitée lorsque le milieu contient des impuretés (poussières) à l’exemple de la neige qui peut se former dans l’atmosphère que si il existe des sites de nucléation permettant aux cristaux de germer. Lorsqu’une particule nucléaire chargée traverse la matière, elle perd de l’énergie en ionisant sur son passage les atomes qu’elle rencontre. Les ions résultants deviennent des « impuretés » où le gaz peut se condenser.
Les vapeurs instables vont passer à l’état liquide en se condensant en gouttelettes là où les ions ont été crées : les ions « semés » tout au long du parcours de la particule vont matérialiser le tracé de la particule dans la matière sous la forme de milliers de gouttelettes d’alcool. Un éclairage suffisamment fort permettra ensuite de mettre en évidence les tracés (la plaque noire du fond permet de maximiser le contraste).
Seules des particules chargées peuvent créer au cours de leurs trajectoires des ions dans la matière. Ainsi, les particules observables dans une chambre à brouillard seront les électrons (e–), les positons (e+), les protons (p+), les alphas (He2+) et les muons (μ+/-) . D’autres particules sont observables en altitude.
Les particules neutres (neutron, gamma, rayon X) seront détectables indirectement par les particules chargées qu’elles créeront dans la matière suite à leur interaction avec celle-ci (spallation, effet photoélectrique, Compton..).