雲霧室

雲霧室也稱雲室（cloud chamber）是一種早期的核輻射探測器﹐也是最早的帶電粒子徑跡探測器。因發明者為英國物理學家威爾遜，一般稱為威爾遜雲室。

威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson，1869-1959），1894年起研究雲霧中的光學現象。1895年，他設計了一套設備，使水蒸氣冷凝來形成雲霧。當時普遍認為，要使水蒸氣凝結，每顆霧珠必須有一個塵埃為核心。威爾遜發現：潮濕而無塵的空氣膨脹時出現水滴。他認為這可能是水蒸氣以大氣中導電離子為核心而凝聚的結果。

基本介紹

• 中文名：雲霧室
• 外文名：cloud chamber
• 類型：早期的核輻射探測器
• 明者家：威爾遜

相關簡介

1896年他用當時新發現的X射線照射雲室中的氣體，觀察到X射線穿過之處空氣被電離，帶電離子會形成細微的水滴，顯示出X射線的運動軌跡，威爾遜為雲室增設了拍攝帶電粒子徑跡的照相設備，使它成為研究射線的重要儀器。1911年他首先用雲室觀察到並照相記錄了α和β粒子的徑跡。

師從著名物理學家盧瑟福的物理學家布萊克特（PatrickM.S.Blackett，1897-1974）將威爾遜雲室用於核物理及宇宙射線研究。他從1921年起在劍橋大學卡文迪什實驗室工作多年。1924年他用雲室照片首次成功地驗證了人工輕核轉變，即氦-14核俘獲α粒子變為氧-17。最初的雲室不管出現的粒子軌跡是否有意義隨時進行記錄。

1923年，美國物理學家康普頓利用威爾遜發明的雲霧室成功得觀察到了光子與電子碰撞。

1925年布萊克特對威爾遜雲室作了重要改進，將蓋革計數器與雲室聯合運用，雲室的記錄改由其上方的蓋革計數器檢測到粒子而啟動，幾乎每張得到的照片都包含著引人入勝的事物，為雲室在近代物理研究中的套用翻開了嶄新的一頁。雲室實驗很快表明，電子攜帶的能量高達10億電子伏，比以往所知來自放射性的電子的能量要大1000倍。布萊克特改進威爾遜雲室方法及在核物理和宇宙線領域的發現，使他獲得了1948年諾貝爾物理學獎。

1928年以後，這一技術在全世界各有關實驗室得到推廣，取得了重要的成就。由於威爾遜在雲室方面的貢獻，他獲得了1927年諾貝爾物理學獎。

1932年，安德森（CarlDavidAnderson，1905-1991）與內德梅耶（SethNeddermeyer，1907-1988）將雲室置入一個強磁場之中觀察宇宙射線。宇宙射線進入雲室後會留下軌跡，拍下軌跡的照片，即可用來進行分析。安德森當時每隔15秒鐘使雲室膨脹一次並拍攝照片。通過對1300張粒子軌跡照片的詳細分析，發現有一種粒子的軌跡與當時已知的帶電粒子的軌跡不一樣。根據軌跡偏轉的方向，可以判斷這種粒子的電荷是正的，又根據軌跡曲率的大小，可推知這種粒子要比質子輕得多，且與電子的質量近乎相等。

安德森後來了解了狄拉克理論後才恍然大悟，他們所發現的上述粒子正是英國物理學家狄拉克（PaulA.M.Dirac，1902-1984）預言過的“反”粒子。正電子的發現是物理學發展史上的又一座里程碑。它說明了理論在認識末來世界中所起的巨大作用；更重要的這是人類第一次從實驗上發現了反物質，是人類對物質世界認識的一大飛躍，也為物理學家探尋新的粒子指明了新的方向。由於安德森的這一重大發現，他獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。在安德森發現正電子後的短短几個月，布萊克特用他拍攝的正負電子成對產生過程的宇宙線徑跡照片也有力地證實了正電子的存在。

中國物理學家王淦昌（1907-1998）1930年在德國柏林大學威廉皇帝化學研究所讀研究生時，了解到玻特（W.Bothe，1891-1957）用α粒子轟擊鈹核產生了強貫穿輻射，玻特將它解釋為γ輻射。王淦昌對此有所懷疑，曾兩次嚮導師邁特納（L.Meitner，1878-1968）建議用雲霧室做探測器重複玻特的實驗，可比玻特用計數器的實驗更能弄清發現的貫穿輻射的真正性質，但未被邁特納採納。

1932年，英國物理學家查德威克（JamesChadwick,1891-1974）採用電離室、計數器和雲霧室實驗，證實玻特的貫穿輻射不是γ射線，而是一種以前尚未發現的、與氫核（質子）的質量差不多的、但不帶電的中性粒子。這正是1920年盧瑟福猜想原子核內可能存在的一種中性的粒子，即中子。中子的發現，不僅改變了當時人們的物質結構的概念，同時還為研究和變革原子核提供了一種有力的手段，促進了核裂變研究工作的發展和原子能的利用。由於這一重要的發現，查德威克獲得了1935年諾貝爾獎物理學獎。

1935年日本理論家湯川秀樹（HidekiYukawa，1907-1981）預言存在一種質量處於電子與質子之間的粒子。1937年內德梅耶和安德森在宇宙射線雲室實驗中檢驗出一種粒子的質量約為200個電子的質量。物理學家普遍認為，這種粒子就是湯川秀樹預言過的那種粒子，取名介子。實際上核力理論所需要的粒子是直到數年以後才發現的π介子。當時雲室發現的這種粒子被重新命名為μ介子，後簡稱為μ子，現在μ子已不再劃歸介子類。

雲室技術曾有過多方面的套用，在探測器歷史上有過它的輝煌，20世紀30年代初期是使用雲室的全盛時期，不少學者創造性地利用雲室取得了許多重要成果。直到發明了更靈敏的徑跡探測器後，雲室技術仍然偶爾使用。

中國物理學家霍秉權（1903-1988）1931年進入劍橋大學研究院，他被導師威爾遜發明的“威爾遜雲室”所深深吸引。但霍秉權發現這個聞名世界的“雲室”並不完善，上下跳動的滾筒不容易掌握，影響了“雲室”的功效。他多次進行實驗，最後用橡皮膜代替原來的銅活塞用橡皮膜代替原來的活塞，密封性好，膨脹速度快，並減小了畸變現象，大大提高了雲室的功效，威爾遜親自著文在英國皇家學會介紹這一成就。

1935年2月，霍秉權應清華大學物理系教授趙忠堯之邀到清華大學任教，在教課的同時致力於科學研究。他自製成小“雲室”，並在此基礎上做成了“雙雲室”用以觀察宇宙射線。這種“雙雲室”觀察宇宙射線徑跡清晰，性能良好，這一創造得到國際著名物理學家玻爾和威爾遜的充分肯定。受戰爭影響，他隨校遷到昆明後仍然致力於製作“大雲室”，研究宇宙射線。

中國物理學家張文裕（1910-1992）1946年在美國設計建造了一個自動控制、選擇和記錄宇宙線稀有事例的雲室，研究宇宙線中μ子與物質的相互作用。實驗證明，μ子被核吸收之後，沒有放出α粒子，也就是說，不存在引起爆炸的“星裂”徑跡，從而證明μ子是非強相互作用粒子，否定了關於介子武器的謠傳。在進一步的研究中，他發現了μ介原子，後者在國際上被稱作“張輻射”。

1956年張文裕回國後，提議在雲南高山站增建一個大雲室組研究高能宇宙線粒子引起的高能核作用。他利用從國外帶回的建造雲室用的高級平面玻璃和一些實驗工具，建成了包括三個雲室的大雲室組，中間一個加有磁場，成為當時國際上規模最大的雲室組。大雲室組發現了一個質量可能10倍於質子質量的重粒子，並在此項工作中為國家培養了一批宇宙線研究人才。

雲霧室的由來

英國物理學家威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson, 1869-1959)經過研究，他於1894年發明了一個叫“雲霧室”(Cloud Chamber, Wilson Chamber)的裝置，它裡面充滿了乾淨空氣和酒精（或乙醚）的飽和汽。如果闖進去一個肉眼看不見的帶電微粒，它就成了“雲霧”凝結的核心，形成霧點，這些霧點便顯示出微粒運動的“足跡”。因此，科學家可以通過“雲霧室”，來觀察肉眼看不見的基本粒子（電子質子等）的運動和變化情況。同時，還發現了不少新的基本粒子。威爾遜雲霧室，為研究微觀世界作出了卓越貢獻。1927年，他因此榮獲了諾貝爾物理學獎金。

威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson，1869-1959），1894年起研究雲霧中的光學現象。1895年，他設計了一套設備，使水蒸氣冷凝來形成雲霧。當時普遍認為，要使水蒸氣凝結，每顆霧珠必須有一個塵埃為核心。威爾遜發現：潮濕而無塵的空氣膨脹時出現水滴。他認為這可能是水蒸氣以大氣中導電離子為核心而凝聚的結果。

Charles Thomson Rees Wilson

1895年，威爾遜在卡文迪什實驗室時便開始了他對雲的形成的研究。他讓水蒸氣在他設計好的玻璃容器中膨脹，發現達到飽和狀態的水蒸氣遇到游離的灰塵或者帶電離子核，便會凝結成小水珠，這就是雲霧形成的原因。據此，他經過反覆實驗，於1911年發明了著名的威爾遜雲霧室。這種雲霧室，利用蒸氣絕熱膨脹，溫度降低，達到飽和狀態，當帶電粒子通過時，蒸氣沿粒子軌道發生凝結，從而顯示粒子徑跡。利用其電離密度還可以測量粒子的能量和速度。

1896年他用當時新發現的X射線照射雲室中的氣體，觀察到X射線穿過之處空氣被電離，帶電離子會形成細微的水滴，顯示出X射線的運動軌跡，威爾遜為雲室增設了拍攝帶電粒子徑跡的照相設備，使它成為研究射線的重要儀器。1911年他首先用雲室觀察到並照相記錄了α和β粒子的徑跡。

威爾遜雲霧室是歷史上最早建造的粒子徑跡探測器，它對粒子物理學的發展起過重大作用，正電子、μ子、K0介子和Ξ­超子等都是通過拍攝它們在雲霧室中的徑跡而發現的。

雲霧室使用要求

威爾遜雲霧室是前一個時期研究放射現象的一種儀器，它由一個放射源和雲室兩個主要部分組成。放射源是由鐳或釷放射性材料做成的，對放射源要求主要是安全問題。使用中要求使用者必須仔細認真，要注意防護，使用後要求及時將放射源放入鉛盒中加以保存。該儀器既可提高實驗效果，又大大增加了使用的安全性。“高溫擴散雲室”使用的放射源為鎇241，其放射性活度在安全使用範圍中。中國原子能機構規定：放射源的放射性活度小於1000內刻（鎇241的放射性活度為8000貝刻至9000貝刻），使用者可以豁免，用戶可安全使用。