Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Приспособление для получения видимых траекторий атомных частиц было изобретено и усовершенствовано Ч. Т. Р. Вильсоном. Камера Вильсона позволяет нам видеть и фотографировать пути отдельных частиц, летящих через воздух, — электронов, альфа-частиц или более тяжелых ядер, которые являются составными частями атомов. Мы можем, следовательно, «видеть» отдельные атомные события: столкновения, превращения, взрывы…

Работа камеры Вильсона

Когда вода конденсируется, образуя капли или обыкновенный туман, каждая капля образуется на частице пыли, которая является как бы зародышем [124]. Капли тумана будут вырастать из предельно маленьких капелек, образованных из случайно собравшихся нескольких молекул воды. Подобные комплексы могут чрезвычайно легко испаряться; фактически они никогда не образуются в отсутствие специального инициатора. Большая кривизна поверхности крошечной капли делает испарение очень легким. Маленькие капли не будут образовываться в воздухе, насыщенном водяными парами, но большие капли будут образовываться на больших частичках пыли, покрытых водой. (В масштабе нашего рассмотрения на молекулярном уровне капелька или частица пыли, которая настолько велика, что уже может быть видимой, является большой .)

Воздух, который содержит немного водяного пара и является лишь чуть влажным, имеет низкую относительную влажность. Если добавлять все больше и больше водяного пара — воздух достигнет насыщения (относительной влажности 100 %, при которой добавление водяного пара только вызывает конденсацию). Предел насыщения зависит от температуры. В жаркий день кубический метр насыщенного паром воздуха (1,2 кг) содержит около 23 г воды, а в холодный день — только 10 г. Возьмем теплый влажный и пыльный воздух и охладим его. Водяных паров станет более чем достаточно для насыщения, и они начнут конденсироваться в туман на частицах пыли, а также на стенках сосуда. Возьмем теплый влажный воздух, свободный от пыли, и быстро охладим его. В воздухе произойдут такие изменения:

теплый…почти насыщенный —> нет тумана, сухие стенки

охлажденный…насыщенный —> вода готова конденсироваться

охлажденный…пересыщенный —> вода конденсируется на стенках, есть готовность к образованию тумана, но нет инициаторов

еще более охлажденный…перенасыщенный —> конденсация воды на стенках, начало образования тумана на чем угодно(?)

Какой-нибудь ион может служить вместо частицы пыли как инициатор образования капельки тумана. Молекулы воды электрически поляризованы или становятся таковыми, попадая в электрическое поле. Ион (электрически заряженный атом или молекула) будет легко собирать вокруг себя гроздь молекул воды, давая начало капельке. Возьмем теплый влажный, свободный от пыли воздух, создадим в нем некоторое количество ионов и затем охладим его:

теплый…почти насыщенный

охлажденный…насыщенный —> вода готова конденсироваться

охлажденный…пересыщенный —> конденсация воды на стенках и конденсация воды на ионах.

Фиг. 38. α -, β-, γ-лучи, излучаемые источником, проходят через воздух.

Фиг. 39. α -, β-, γ-лучи поглощаются листами различных материалов.

Фиг. 40. α -, β-, γ-лучи беспрепятственно распространяются в вакууме, нагревают поглотивший их материал.

Фиг. 41. α -, β-, несут заряд, γ-лучи заряда не несут.

Фиг. 42. α- лучи вызывают крошечные вспышки света, ударяясь об экран, способный давать свечение.

Вот как получается картина в камере Вильсона: теплый влажный, свободный от пыли воздух внезапно охлаждается, сразу же после этого через камеру простреливается ионизующий луч. Луч оставляет положительно и отрицательно заряженные ионы вдоль всего своего пути (трека), и крошечная капелька тумана конденсируется на каждом ионе. Весь трек просматривается в ярком свете как линия из крошечных капель; иногда капель так много, что они выглядят сплошной линией. Внезапное охлаждение производится предоставлением возможности воздуху вытолкнуть поршень наружу. Воздух предварительно освобожден от пыли, и электрическое поле выметает прочь образовавшиеся ранее ионы.

Таким образом, в камере регистрируются только треки, образованные после одной операции расширения воздуха. Вспомним, что трек выявляет разрушения, вызванные частицей, собственно ее электрическим полем . Водяные капли образованы ионами, которые оставлены проходящими частицами. Ни в каких случаях водяная капля не образуется на самой быстрой частице или на ядерных мишенях, разлетающихся, от соударений с ней.

Задача 6. Камера Вильсона (дополнение к задаче 1)

В простейшей форме камера Вильсона представляет собой стеклянный цилиндр, содержащий влажный воздух над поршнем из воды, которая может выходить при расправлении сжатой резиновой груши (фиг. 35). Объясните, почему следующие операции делают трек видимым: 1) сжатие резиновой груши; 2) выдержка в течение некоторого времени; 3) внезапное расправление груши и появление треков. Что происходит на каждой стадии?

Треки альфа-частиц в камере Вильсона

Альфа-частицы дают прямые треки в несколько сантиметров длиной, настолько усеянные водяными каплями, что они выглядят подобно миниатюрной струе из пожарного шланга. Мы можем сосчитать ионы по общему числу водяных капель или суммарным электрическим методом: 200000 ионов в 5-сантиметровом треке. Альфа-частица выбивает электроны из 200 000 «атомов» воздуха при прохождении. Это необычное поведение: ни одного сильного столкновения, но лишь 200 000 слабых (для альфа-частицы) столкновений. Что может случиться с обычной молекулой в воздухе на таком пути? Имея длину свободного пробега 10 -7м, она должна ударить 0,05/10 -7соседей, испытать 500 000 прямых столкновений, делающих ее траекторию зигзагообразной.

Альфа-частица производит приблизительно такое же число столкновений — для точечных снарядов, обстреливающих молекулы воздуха, мы можем принять диаметр мишени, равным половине диаметра молекулы, и число столкновений в 1/ 4часть от 500 000. Но почти во всех этих столкновениях альфа-частицы идут напролом, что можно видеть, рассматривая следующие фотографии:

Фиг. 43. Фотография в камере Вильсона.

α -лучи от маленького источника — смеси тория Си тория С'. Заметьте, что имеются две группы α -лучей, каждая с определенным пробегом в воздухе (из книги: Rutherford, Chadwick and Ellis , Radioactive Substances and their Radiations, Cambridge Univ. Press). Источник излучения внизу фотографии.