威尔逊的功劳

威尔逊的功劳

在各种探测仪器中，云室是使用比较早的一种探测仪器。经过不断的改进和完善，云室在粒子探测中发挥了重要的作用。

说到云室，人们首先想到的是英国物理学家查尔斯·威尔逊。在威尔逊很小的时候，他的父亲便去世了。这时他的家就搬到了曼彻斯特，威尔逊的教育主要是在这里完成的。他先后学习了地质学、植物学和动物学，他还想过当医生。当转学到剑桥大学后，他对物理学和化学又发生了兴趣。

1894年暑假期间，威尔逊志愿到本尼维斯山气象站参加观测活动。本尼维斯山是英国的最高山峰，他在这里过得非常愉快。在清晨，威尔逊站在高山之巅欣赏着周围的美景，特别是山顶很容易形成的一种奇特的雾景——云雾效应，这使他对云雾的形成机制发生了浓厚的兴趣。他想，能不能在实验室里复现这种奇特的景观呢？

所谓云就是一种细小的水滴——雾，它是由空气中的尘埃粒子所形成的。在实验室中，威尔逊使潮湿的空气在密闭的容器中膨胀。由于与外界隔绝，在膨胀时空气的温度降低了，因此部分湿气（小水滴）就凝聚成雾或云。若威尔逊充入的是无尘埃的空气，云就不能形成了。所以，人们也把这种尘埃称做“凝聚核”。

至于无尘的潮湿空气，在膨胀和冷却的过程中保持过饱和状态，当达到一种临界状态时，云才能形成。因此威尔逊想，在无尘的空气中，只有离子才能在周围凝聚成小水滴。这些带电的离子起着凝聚核的作用，普通的中性分子则不具有这种凝聚的作用。

在威尔逊进行云的研究时，德国科学家伦琴发现了X射线，不久法国科学家贝克勒尔又发现了铀的放射性。威尔逊想，这些射线可以在空气中产生电离效应，带电离子在无尘的湿气中能不能产生云雾的效应呢？他一试，X射线果然在潮湿的空气中出现了浓密的云雾。就这样，威尔逊关于带电离子可以充当凝聚核的观点得到了证明。

威尔逊的初步成功使他坚定了信心，他要研制成一种能观测带电粒子的云雾装置。大约经过了十年的实验与改进，他终于研制成功了这样的装置。带电粒子在高速行进时，借助他的这种装置就可以观测到粒子的踪迹。这是由于这种高速行进的粒子不会造成大片的云雾，而是只形成一串小水滴，这种小水滴恰到好处地显示出了粒子运动的轨迹。由于这是利用小水滴（云雾）显示粒子径迹的，所以人们就叫它“云雾室”或“云室”。又由于这是威尔逊发明的，所以它也被称为“威尔逊云室”。

就这样，威尔逊为人们发明了一种有效的研究原子结构的工具，威尔逊也因此获得了1927年度的诺贝尔物理学奖。

威尔逊云室的主要部分是一个用玻璃或塑料制成的圆柱形密闭容器。容器内装有能够上下移动的活塞，容器的上盖是透明的，用于观察云室内发生的现象和进行拍照。容器内充有清洁的空气或者其他的气体，同时加入少量的水与酒精或乙醚。

云室的工作原理并不复杂，使用起来也比较方便。云室处于工作状态时，首先将活塞迅速向下移动，在云室还没有来得及与外界交换热量的情况下，室内的气压突然降低，使得云室内混合蒸汽达到过饱和的状态。如果在这一瞬间，恰好有带电粒子闯入室内，与室内的气体分子发生碰撞，于是产生电离。这些离子成为过饱和蒸汽的凝聚核，这样，在粒子运动的路程上，就会形成一串雾迹。人们从云室上端的透明窗，可以直接观察到带电粒子的径迹，也可以用摄像机将带电粒子留下的踪迹记录下来。

假如进入云室的粒子是质量比较大的粒子，这种粒子具有很强的电离本领，在1厘米的路程中，大约能够将10000个分子电离。而粒子在气体中运动时，又不容易改变方向，因此记录到的粒子径迹粗而直。

若闯入的是β粒子，情况就不一样了。β粒子质量要比粒子小得多，它与气体分子相互作用时，运动方向很容易改变；另外，β粒子电离的本领比粒子差得多。这样，在云室中拍摄到的β粒子的径迹比较细，而且有时还会发生弯曲。

至于γ光子，它是中性的小粒子，电离能力微不足道。当光子通过云室时，只能记录到一些细碎的雾迹。

如果将云室放置在比较强的磁场中，进入到云室中的带电粒子在磁场的作用下，运动的方向就会发生改变。根据粒子在磁场中运动轨迹的粗细、长短和弯曲情况，人们能够从中获得有关粒子的许多信息，也可以分辨不同的带电粒子，还可能发现新的粒子。