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威尔逊云室的发明

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威尔逊云室的发明威尔逊云室的发明 ()广西民族学院学报 自然科学版 Vol . 9 No. 4 JO URNAL OF GUANGXI UNIVERSITY FO R NATIO NAL ITIES 第 9 卷第 4 期 2003 年 11 月 ( Natural Science Edition) Nov. 2003 文章编号 :1007 - 0311( 2003) 04 - 0049 - 04 Ξ 威尔逊云室的发明 牙述刚 ( 广西民族学院 电子与通信工程学院 , 广西 南宁530006) 摘要 : 通过对 C. ...

威尔逊云室的发明
威尔逊云室的发明 ()广西民族学院学报 自然科学版 Vol . 9 No. 4 JO URNAL OF GUANGXI UNIVERSITY FO R NATIO NAL ITIES 第 9 卷第 4 期 2003 年 11 月 ( Natural Science Edition) Nov. 2003 文章编号 :1007 - 0311( 2003) 04 - 0049 - 04 Ξ 威尔逊云室的发明 牙述刚 ( 广西民族学院 电子与通信工程学院 , 广西 南宁530006) 摘要 : 通过对 C. T. R. 威尔逊研究和改进云室的过程的考察 , 说明“云室”的功能随着其结构的变化而 α 发生变化 :从模拟日晕现象到研究凝结的规律及电子电量的测定 ;威尔逊利用云室拍出的粒 α 子引起云室内气体凝聚的痕迹与 H. A. 布拉格想象中的粒子径迹进行比较 , 得到惊人的 、相 似的结果后 , 云室就成为了观测基本粒子径迹的主要仪器. 关键词 : 威尔逊 ;云室 ;发明 O4 - 33?P11 中图分类号 : 文献标识码 : A ,但是 18 岁那年他却获得了理学学士 院医学系学医 0 引言 学位. 1888 年威尔逊获得剑桥大学西得尼?萨赛克斯 19 世纪末 20 世纪初 ,经典物理学的研究已经取 学院的奖学金 ,进入该学院学习物理学和化学 ,1892 得了辉煌的成就 ,人们在为之赞叹的同时 ,也为它在 年毕业后 ,在剑桥大学一面做实验研究 ,一面当医学 解释一系列新的现象 、新的发现 、新的疑难所遇到的 系的实验演示员. 当时卢瑟福等一些青年科学家都是 困难而担忧 ,为了在原有的理论体系框架内给这些新 剑桥大学卡文迪许 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 的研究生 ,威尔逊经常和他 现象和新发现予合理的解释 ,科学家们的热情是前所 们一起参加茶余饭后的讨论. 1894 年 ,威尔逊在英国 未有的 ,为了进行实验和观测而创造了众多的科学仪 第一高峰苏格兰的本内维斯峰的天文台度过了几个 器 . 英国著名的物理学家 、诺贝尔物理学奖获得者 C. 星期的时间. 在那里 ,他看到了阳光返照云彩的奇景 , T. R. 威尔逊发明了云室 ,使用云室可以使人们直接 使他想在实验室中再现它们 ,这就使他走上了发明云 观察到粒子运动的径迹 ,从此 ,在大约半个世纪的时 室的道路. 间里 ,云室成为观测射线径迹的主要设备. ( 查尔斯 汤姆?逊 里?斯 威? 尔 逊 Charles Thomson Rees ) Wilson1869 年 2 月 14 日生于英国苏格兰爱丁 堡附1 能够重现日晕现象的膨胀仪 近的格伦科西 , 他的父亲 J . 威尔逊是一个牧羊 主 ,云室的发明起源于 C. T. R. 威尔逊在实验室中进 在苏格兰因试验牧羊农场而很有名. C. T. R. 威尔 行模拟日晕现象的实验研究. 1894 年 9 月 ,威尔逊在 逊四岁的时候 ,他的父亲去世. 他跟随母亲一起迁往 苏格兰群山的最高峰尼维斯峰天文台观察到日晕的 曼切斯特 ,15 岁时他进入曼切斯特大学的欧文斯学 瑰丽云景 ,使他发生了极大的兴趣 ,于是他开始致力 Ξ 2003207207 .收稿日期 : () ( ) 作者简介 :牙述刚 19602,男 壮族,广西民族学院电子与通信工程学院教师. 于在实验中重现这种现象的研究. 为核心. 尘埃是唯一的凝结核吗 ? 威尔逊以其敏锐的 () 1895 年初 , 威尔逊采用科里 尔 M. Coulier和 艾 观察力和智慧从实验中作出判断 :如果膨胀比足够大 () 特肯 J . Aitken创造和使用过的方法 : 让潮湿的空气 是可能出现云雾的. 威尔逊进行大量的实验后发现 : 膨胀来制造人工云雾. 他研制的第一个实验装置如图 仔细除去仪器中的尘埃后 ,无需尘埃 ,只要膨胀比足 够大 ,云雾同样出现 ,这说明除了尘埃外 ,A 室中还有 1 所示 ,他把这个装置叫做测量膨胀的仪器. ) (某种凝结核心存在. 他立即想到 “: 这些凝结核会不 会是带电的原子 ?” 1895 年秋伦琴发现了 X 射线. 威尔逊受到导师 J . J 汤姆逊研究空气在 X 射线照射下的导电性的影 响 ,他将膨胀测量仪产生云雾的部分改成如图 2 所 示 ,用于观察 X 射线照射过饱和气体可能产生的现 象 . 其工作原理为 : 将混有水蒸气的洁净空气通入 B 室 ,用 X 射线管 C 照射水蒸气使之电离 ,然后用活塞 A 使室中气体的温度和压强在突然膨胀过程急剧下 降而产生过饱和蒸气 ,以离子为凝结核的云雾立即出 现 . 这个实验证明了凝聚现象是以离子为中心出现 的 . 此后 ,威尔逊还用膨胀云室研究了铀射线 、紫外 线 、尖端放电及其他方法在空气中产生的凝结现象. 经过四年研究 ,他总结出 ,当无尘空气的体积膨胀比 图 1 膨胀测量仪 为 1 . 25 时 ,负离子开始成为凝聚核心 ;当膨胀比为 1 . 28 时 ,负离子全部成为凝聚核心. 对于正离子来说 , 在这个装置中 ,无尘粒的潮湿空气即使膨胀而造 膨胀比为 1 . 31 时开始成为凝聚核心 ,膨胀比为 1 . 35 成较大程度的过饱和 ,也不会形成云 ,但是 ,当过饱和 时全部成为凝聚核心. 超过一定限度时就形成了云雾. 由于采用液体密封技 术 ,潮湿空气可在这个仪器中作反复的突然膨胀而且 不被污染 ,体积可任意调节. 使图 1 的实验装置中 A 内的潮湿空气膨胀达到过饱和状态就可以制造出人 工云雾 ,用光照射到人工云雾上就能看到彩霞. 实验 过程是通过玻璃管 C 上的阀调节 A 中潮湿气体的体 积 ,F 是一个真空室与抽气机及容器 B 连接 ,调节气 阀 E 就可以改变 B 中液面压强 ,使 A 内气体膨胀达 到过饱和状态 ,如果 A 内有凝结核 ,即可产生云雾 . 威尔逊成功地在实验室中重现了自然界的美景 之一 ———日晕现象. 他没有将自己的研究停留在对美 好景色的观赏之上 ,而是对形成雾珠的凝结核产生了 图 2 改进后的膨胀测量仪云雾室 兴趣. 威尔逊在他获得诺贝尔物理学奖的演讲中是这 威尔逊的研究方法和有关结果 ,为当时进行离子 样描述当时的情景的 “: 我几乎立刻就碰到了可能比 电荷测量的 J . J . 汤姆逊和 H. A. 威尔逊所采用 ,他们 我要研究的光学现象更有趣的一种现象. ” 从负离子生成可见雾滴所需的过饱和度直接算出的 - 10 基本电荷 e 的量值为 4 . 9 ×10 静电单位 ,与密立根 2 研究气体凝结规律的云室 降 ,使 A 内气体突然膨胀产生必需的过饱和 ,然后使 3 能够拍摄粒子径迹的云室 电离粒子通过过饱和气体 ,最后 ,照亮在离子轨迹上 到了 1910 年 ,威尔逊开始做一些实验来扩大膨 凝聚的云雾 ,用相机从云室上方向下进行拍照. 胀测量仪原理应用 ,研究用直接的方法测定离子电荷 α威尔逊利用他发明的云室拍得第一批好的粒 的可能性 ,他认为电离粒子的径迹由于在离子上形成 子引起云室内气体凝聚照片后 , 立即将其中一张给 凝结水而成为可见的和可照相的. 这时 ,威尔逊才开 H. A. 布拉格 ,布拉格一看照片就认为 ,照片所显示的 始着手设计制作用于观测射线径迹的云室. 他花了很 α现象与他想象的粒子的径迹完全一致. 接着威尔逊 多时间去试验膨胀仪器的最合适的形状 ,寻找拍摄云 β又拍摄了粒子引起云室气体凝聚的照片 ,这些照片 雾颗粒瞬时照明的有效方法. 1911 年夏天他在卡文 也与布拉格的结论相一致. 因此 ,人们认为带电粒子 迪什实验室的工厂加工制造了第一台用于观测射线 作为凝结核在云室中引起过饱和气体凝聚的现象反 径迹的云室 ,1912 年威尔逊为云室增设了拍摄带电 映的是这种粒子的径迹. 原来被认为是来去无踪的粒 粒子径迹的照相设备 ,直到 1923 年 ,云室作为研究射 子运动的径迹就是这样直观地展现在人们眼前.线径迹的重要仪器才初步定型. 图 3 是威尔逊设计制 作的云室的实物照片 ,图 4 是原理图 . 威尔逊曾经用 它拍摄过很多粒子径迹的漂亮照片. 4 威尔逊云室的应用及其存在的 不足 20 世纪初 , 人们根据已有实验结果猜测的各种天然放射性相继被证实 ,由于这些射线不能通过现有 的实验仪器被肉眼直接看到 ,只能被验电器检测. 威 尔逊云室通过间接的方式使射线的径迹直观地展现 在人们眼前 ,云室的发明对于促进当时处于研究热潮 的天然放射性的探测起到了积极的作用 ,极大地加快 了粒子物理和核物理的建立和发展历程. 卢瑟福给予 云室极高的评价 ,认为它是“科学史上最新最精彩的 仪器”. 图 3 威尔逊云室照片实物 由于云室所具有的这种重要功能 ,许多科学家都 仿制和使用它 ,其中比较著名的有 : P. M. S. 布莱克特 () αBlacktte对粒子与原子核碰撞和由此产生的原子 (( ) 衰变的研究 ; M. 居里 Mi1e Curie 和 L . 梅 特 涅 L .? ) ( α Meitner对单个粒子射程的研究 ; 查德威克 Chad2 ( ) ) δ wick和埃米勒斯 K. Emeleus对射线的研究等 ; 威 尔逊云室发明后的第一个最成功的运用是威尔逊所 拍摄的 X 射线散射的照片中的有关现象支持了 A. H. 康普顿的 X 散射理论. 因此 ,威尔逊和康普顿分享 图 4 威尔逊云室原理图 1927 年的诺贝尔物理学奖. 尽管这个简单的活塞式云室对当时的射线的研 这个云室叫做活塞膨胀式云室 ,它的主要构成 : 究起到了令人惊叹的巨大作用 ,但由于结构和膨胀方 A 是产生云雾的空间 ,B 是调节阀 , C 是真空室 , R 是 式等方面的不足 ,它的应用范围还受到一定的限制 1 活塞 ,P 是在云室中产生电场的直流电源. 它的工作 原理如下 : 进 行 观 察 、拍 照 前 , 清 除 A 内 的 所 有“尘 首先 ,它所拍照片的质量还不能令人十分满意 ,而且 埃”粒子 ,用 P 在云室的顶部和底部之间产生一个电 它还不能用于宇宙线的研究. 因为要得到一张好的径 场 ,清除 A 内的带电粒子 ;在 A 内加入潮湿气体 ,将 C 迹照片 ,首先必须保证在膨胀时不能搅动气体 ,当时 抽成真空 ,按照要求调节阀门 B ,活塞 R 就会突然下 为了保证这一点 ,使用扁而宽的云室 ,它的底可以突 然下降 ,可根据要求增加容积. 采取这些措施仍然没 有能够完全消除活塞运动时有所搅动气体的现象 . 其 [ 参考文献 ] ( ) 宋玉升等 1 诺贝尔奖获得者演讲集 物理学 第二卷C . 北京 : 1 次 ,云室使用时 ,要保证除待观察的带电离粒子外 ,其 科学出版社 , 1984 . 内部不能有“尘埃”粒子 , 为了防止不洁净气体的侵 杨振宁著 、杨振玉 、范世藩等译 1 基本粒子及其相互作用 M . 长 2 沙 :湖南教育出版社 ,1999 . 入 ,这就要求云室有很好的密封性 ,当时采用橡胶环 谢邦同. 世界近代物理学简史M. 沈阳 :辽宁教育出版社 ,1988 . 张加油或其他液体的密封方式 ,造成这种云室只能水平 3 文卿 ,王希明 , 胡国宝. 诺贝尔物理学奖金获得者传略 M . 济 放置. 再次 ,为了清除云室可能存在的其他带电粒子 , 南 :山东教育出版社 ,1986 . 4 云室上下板间还需要加一个电场. 云室的应用范围受 到了较多的限制. [ 责任编辑 黄祖宾 ] [ 责任校对 苏 琴 ] Wilson Cloud - Cha mber The Invention of C. T. R. YA Shu2gang (College of Electron and Communication Engineering , )Guangxi University f or N ationalities , N anning 530006 ,China Abstract : Through the study of C. T. R. Wilson and observation of the process in improving the cloud - chamber , it makes out that the function of the " cloud - chamber" changes with its change of structure . From the phenomenon of simulat2 ing solar halo to the study of coagulating law and the mensuration of electron and electric quantity , Wilson photographed out ααin the cloud - chamber that the trace of gas coagulation arose fromparticle was astonishing resemble withparticle track which was in H. A. Prague’ s imagination after comparison. From then on cloud - chamber has become the main instrument for observing basic particle track. ; invention Key Words : C. T. R Wilson ;cloud - chamber ()上接第 48 页 ( ) 6 李 约 瑟. 中 国 科 学 技 术 史 卷 一M . 上 海 : 上 海 古 籍 出 版 社 , [ 参考文献 ] 1990118 . 1 陈建远等. 现代西方社会学M. 南昌 : 江西人民出版社 ,1988 . 217 . 7 夏 晓 虹. 梁 启 超 学 术 文 化 随 笔 M . 北 京 : 中 国 青 年 出 版 社 , 斯诺. 对科学的傲慢与偏见M. 成都 :四川人民出版社 ,1987 . 15 . 2 19961220 - 229 . 3 李克特. 科学 :作为一个文化过程M. 北京 :三联书店 ,1989187 . 朱孝远. 近代欧洲的兴起M. 上海 : 学林出版社 ,19971221 . 4 ( ) 爱因斯坦文集 第三卷M. 北京 :商务印书馆 ,19791135 . [ 责任编辑 黄祖宾 ] 5 [ 责任校对 苏 琴 ] of the Spirit of Science The Cultural Velues LU Bao2yong ()Guangxi Traditional Chinese Medical University , N anning 530001 , China Abstract : Reviews at the process of the spirit of science was been raised , delineates the context and the content of the spirit of science , the importance of Scientific community and science system ; essay on the cultural values of the spirit of science , and ponder on Chinese culture . Key Words : spirit of science ; cultural value ; Chinese culture
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