雲室
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 威爾遜最初的雲室 | |
| 使用 | 將電離輻射視覺化 |
|---|---|
| 知名實驗 | 正電子的發現 |
| 發明者 | C·T·R·威爾遜 |
| 相關事物 | 氣泡室 電離輻射 |
| 反物質 |
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雲室（英語：Cloud chamber)，又稱威爾遜室，是一種用於觀察電離輻射路徑的粒子探測器。
雲室內部是一個密封環境，其中含有過飽和水蒸氣或酒精蒸氣。與飛機雲的原理相似[1]，高能帶電粒子（例如α粒子或β粒子）在碰撞過程中通過靜電力將電子從氣體分子中分離，與氣體混合物相互作用，從而產生一串電離氣體粒子。如果氣體混合物處於冷凝點，產生的離子將充當冷凝中心，在其周圍形成一道霧狀的液滴痕跡。這些液滴在蒸汽中下落時，會形成具有獨特形狀的「雲」狀軌跡，並持續幾秒鐘。例如，α粒子的軌跡又粗又直（長約4公分），而β粒子軌跡則較為纖細曲折，較α粒子的黯淡。[2][3][4]
雲室由蘇格蘭物理學家查爾斯·湯姆森·里斯·威爾遜於20世紀初發明。從20世紀20年代到50年代，在氣泡室出現前，它在實驗粒子物理學中發揮了重要作用。例如，正電子、μ子及K介子的發現都使用了雲室。 雲室也被用在人造粒子源中，例如曼哈頓計劃中放射線照相術的應用。[4][5]
發明
[編輯]查爾斯·湯姆森·里斯·威爾遜被認為是雲室的發明者。 1894年，他在本尼維斯山頂工作時看到了布羅肯奇景。受到這一現象的啟發，他開始研製一種膨脹室，用於研究雲的形成和潮濕空氣中的光學現象。他很快發現，在這樣的腔室中，離子可以充當水滴形成的中心。他繼續研究這一發現的應用，並於1911年發明並完善了第一個雲室。因威爾遜在雲室方面的貢獻，他獲得1927年的諾貝爾物理學獎，並與阿瑟·康普頓分享了獎金。[6]
在威爾遜最初發明的腔室中，密封裝置內的空氣被水蒸氣飽和，然後使用隔膜使腔室內的空氣膨脹（絕熱膨脹），冷卻空氣並開始令水蒸氣凝結，因此這款雲室被稱為膨脹雲室。 [7]當電離粒子穿過腔室時，水蒸氣會凝結在產生的離子上，使粒子的軌跡在蒸氣雲中可見[8]。科學家使用電影膠片記錄雲霧室中的圖像。
帕特里克·布萊克特對雲霧室進行了進一步的開發。他利用硬彈簧迅速地擴張和壓縮腔室，使腔室能夠在一秒內記錄多道粒子的軌跡。由於這種腔室中的條件並非固定不變，因此也被稱為脈衝室。[來源請求]
1936年，亞歷山大·朗斯多夫發明了擴散雲室。 [9]與膨脹雲室不同，它可以在一秒之內記錄無限道粒子的軌跡，但其底部必須冷卻到相當低的溫度，通常低於−26 °C（−15 °F） 。由於酒精的冰點較低，因此可以使用酒精代替水蒸氣。演示和愛好者類型的雲室通常利用乾冰或珀爾帖效應熱電冷卻；其中使用的酒精通常是異丙醇或甲基化酒精。 [10]
內部結構和操作
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一個簡單的擴散雲室由密封罩、一個溫暖的頂板和一個冷的底板組成。液態酒精被放置於頂板一側。液體在此處蒸發形成蒸汽，蒸汽在穿過氣體時冷卻，並在底板上凝結。觀測過程中，需要有電離輻射進入雲室。
雲室內充滿了異丙醇、甲醇或其他酒精蒸汽。酒精隨着冷卻而下降，而冷凝器則提供陡峭的溫度梯度，引起環境過飽和。當高能帶電粒子穿過氣體時，由於酒精和水分子為極性，可對附近的自由電荷產生吸引力，酒精蒸汽會在電離粒子留下的氣態離子痕跡周圍凝結，留下電離痕跡，形成雲霧狀結構。在雲室中，很容易確定軌跡的發射源（如有）。 [11]
在冷凝板的正上方，有一塊放射性粒子可留下軌跡的區域。在該區域中，放射性粒子留下的離子尾跡為凝結和雲層的形成提供了最佳的觸發因素。通過採用陡峭的溫度梯度和穩定的條件，可以增加該區域的高度。 [11]科學家通常採用強電場將雲跡拉至腔室的該區域，從而提高腔室的靈敏度。電場還可以用於防止大量背景「雨水」遮蔽腔室的軌跡形成區，這種現象是由於在腔室的軌跡形成區上方不斷形成冷凝水而引起的。黑色背景使得觀察雲跡變得更容易，通常需要切向光源來照亮黑色背景上的白色水滴。通常，放射線軌跡要在冷凝板上出現一小灘酒精時才能清楚顯現。
如果在雲室中施加磁場，根據洛倫茲力定律，帶正電和負電的粒子將分別向相對的方向彎曲。然而，對於小型業餘愛好者來說，很難產生足夠強的磁場。 1932年，這種方法也被用來證明正電子的存在，與保羅·狄拉克1928年發表的理論證明一致。 [12]
參見
[編輯]- 氣泡室
- 吉爾伯特 U-238 原子能實驗室兒童科學套件（1950–1951 年）
- 凝結尾跡
參考
[編輯]- ^ Cloud chamber | Institute of Physics. www.iop.org. [2025-03-30] （英語）.
- ^ Cloud Chamber | Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations. sciencedemonstrations.fas.harvard.edu. [2025-03-30] （英語）.
- ^ Cloud chambers. Nuledo. [2025-03-30] （英國英語）.
- ^ 4.0 4.1 Particle Physics - Cloud Chambers Activities for Schools (PDF). 伯明翰大學. 2018-07 [2025-03-30].
- ^ C.L. Morris; et al. Flash radiography with 24 GeV/c protons. Journal of Applied Physics. 2011, 109 (10): 104905–104905–10. Bibcode:2011JAP...109j4905M. doi:10.1063/1.3580262
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- ^ The Nobel Prize in Physics 1927. www.nobelprize.org. [2015-04-07].
- ^ Ples, Marek. Lab Snapshots: Expansion cloud chamber. weirdscience.eu. 2020-04-02 [2023-07-03].
- ^ Cloud Chamber Intro (PDF). American Nuclear Society. [2025-04-12].
- ^ Frisch, O.R. Progress in Nuclear Physics, Band 3. Elsevier. 2013-10-22: 1. ISBN 9781483224923.
- ^ Ples, Marek. Lab Snapshots: Diffusion cloud chamber. weirdscience.eu. 2019-04-15 [2023-07-03].
- ^ 11.0 11.1 Zani, G. Dept. of Physics, Brown University, RI USA. "Wilson Cloud Chamber" 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2017-08-01.. Updated 05/13/2016.
- ^ Anderson, Carl D. The Positive Electron. Physical Review. 1933-03-15, 43 (6): 491–494. Bibcode:1933PhRv...43..491A. doi:10.1103/PhysRev.43.491.
