气泡室的秘密

气泡室的秘密

从1911年云室被发明之后，人们开始广泛地使用这种探测器，它在早期核研究中发挥了重要的作用。然而，云室也有一定的缺陷，云室中的气态物质非常稀疏，带电粒子进入云室只能形成少量离子。如果进入云室的粒子是一些罕见的粒子，或寿命很短的粒子，它就不能形成径迹，或因为径迹极短而被忽略掉。特别是在高能物理学发展过程中，在与大型加速器配合使用时，云室的缺陷就使它的适用范围受到了极大的限制。因此，要对探测器进行一次彻底的革新，完成这次革新的是美国科学家唐纳德·格拉泽。

格拉泽于1949年在加州理工学院获得博士学位之后，就去密执安大学任教。在这里他开始思考对探测器的研究。

20世纪50年代，高能物理学获得了迅速的发展，微观世界的新事物层出不穷。格拉泽很注重实验的研究，在改进实验技术上下了很大的功夫，发明了一些新型的云室和平行板火花计算器，这些研究也为后来发明气泡室创造了条件。

格拉泽注意到，人们在倒啤酒时，瓶中会产生大量气泡，于是他仔细观察了啤酒瓶玻璃上一些粗糙点上的气泡，并为此联想到这种气泡产生的原理。云室是利用过冷的蒸汽在离子周围凝聚，在大量气体中形成液滴的现象而显示粒子的踪迹的。与云室不一样，他设想的新型装置是，让过热的液体在离子周围汽化，在大量液体中形成汽滴。也就是说，在粒子经过的地方，产生大量气泡，进而显示粒子的径迹。

气泡室作为一种新型的探测工具，最早使用是在1952年。当时格拉泽制作的第一个气泡室的直径仅有十余厘米，室内充有乙醚（后来又改用液态氢）。但气泡室的构造同云室相比，气泡室要复杂得多，造价也显得很昂贵。然而它们的工作原理却非常相似，只不过云室内充满的是气体和少量的水蒸气，而气泡室内采用的是液体。

气泡室的主体部分是一个充满透明液体的大容器，容器内安装有能够上下移动的大活塞。液体通常采用液态氢等，温度超过沸点温度，称为“过热液体”。由此可见，气泡室是在较低的温度下工作的，它显示了很好的性能。

大家知道，在一定的气压下，当液体温度升高到一定程度时，就开始沸腾。液体的沸点与气压有着直接的关系，气压越低，它的沸点就越低。在海平面附近，水的沸点是100摄氏度，随着地势的升高，水的沸点会逐渐降低。到了青藏高原，水的沸点就不到80摄氏度了。为了使容器内的液体处于标准气压以下，就要降低容器内的压强。

当气泡室的液体处于过热状态时，由于这种状态是不稳定的，液体一旦遇到扰动，就会立即沸腾起来，借此人们可以观测进入气泡室的带电粒子。

为了使容器内的液体状态符合要求，可以通过机械系统来调控活塞，使气泡室内的压强急剧下降，这样液体就处于过热状态。在这种情况下，过热液体就会对外来的带电粒子非常敏感。如果此时有带电粒子闯入气泡室内，在粒子行进的路上就会产生一串依稀可见的小气泡，气泡室因此而得名。

在闪光灯强光的照射下，摄像装置自动记录下这一径迹，再经过对照片的处理和分析，人们就可以清楚地看到粒子在室内发生的相互作用过程，以及其最后“消亡”的情景。如果气泡室用的是液态氢，由于室内只有氢，通过对照片的分析，人们可以了解带电粒子与氢原子核之间相互作用、相互转化这一复杂过程的大量信息：π－介子与质子相碰撞，可产生两个中性粒子——K^o和Λ^o（它们是两种介子），这两个粒子很不稳定，又会立即衰变为其他的粒子。对于这样的“短命”粒子，云室就无能为力了。所以尽管气泡室的造价高，但它的优越性显而易见，因此，随后在许多实验室都建造了一些大型的气泡室。

1959年，我国著名的核物理学家王淦昌院士利用装有丙烷液体的气泡室（也简称为“丙烷室”）发现了重粒子∑－的反粒子。这是我国科学家发现的第一个粒子，也是继反粒子的正电子、反质子和反中子的发现之后，所发现的又一个反粒子。我国科学家为粒子物理学的发展做出了重要的贡献。