威尔逊云室的发明及对物理学的贡献

尹德利

(北京市东方德才学校 北京 100025)

20世纪物理学取得了辉煌的成就，人们的视线已经由宏观深入到微观.各种粒子探测器的发明使用，使粒子物理学和核物理学取得重大进展.在各种粒子探测器中，尤为值得人们纪念的是威尔逊云室的发明.它的发明，使人们认识了不少新粒子，并导致一批物理学家荣获诺贝尔物理学奖.在20世纪物理学史上，人们永远不会忘记它的发明者——C·T·R威尔逊.

1 C·T·R威尔逊生平

威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson , 1869～1959年)于1869年2月14日生于英国爱丁堡附近的格林科斯教区.父亲约翰·威尔逊是一位牧羊主.威尔逊4岁时，父亲不幸去世，母亲带着全家迁至曼彻斯特.威尔逊先在一家私立学校读书，15岁时考入欧文斯学院(现在的曼彻斯特大学).由于想当医生，威尔逊选修了生物学，1887年获得理学学士学位.他又花了一年时间学习哲学等古典课程，获得了进入剑桥锡德尼苏塞克斯学院的奖学金.在剑桥，他对物理学和化学产生了浓厚的兴趣并进行了系统的学习，1892年毕业留校当研究生，1896年获物理学博士学位，1900年成为苏塞克斯学院的讲师.从那时起直到1918年，他在卡文迪什实验室负责物理实验的教学工作，同时讲授光学.从1925年起，他一直担任剑桥大学的自然哲学杰克逊讲席的教授，直到1934年退休.退休后他离开剑桥，回到了家乡苏格兰，1959年11月15日病逝，享年90岁.

威尔逊一生成绩卓著，获得了各种荣誉与勋章：1900年被选为英国皇家学会会员，1911年获得休斯奖章，1920年获得剑桥哲学学会的霍普金斯奖金，1921年获得爱丁堡皇家学会的冈宁奖金，1922年获得皇家奖章,1925年获得富兰克林研究所的霍华德波茨(Howard Potts)奖章，1927年与康普顿共获该年度的诺贝尔物理学奖.

2 意外的发现

1894年9月，威尔逊在大不列颠的最高峰、苏格兰境内的尼维斯山的天文观测站度过了几星期.他回忆起在山上的情景：“当太阳照射山顶上的云雾时所呈现出的奇妙光学景象，特别是太阳周围的彩环以及山顶和人在云雾上的影子周围呈现的彩环，使我发生了极大的兴趣.我想在实验室里模拟这些现象.”谁料想，正是这次对大自然美景的模拟实验，使威尔逊获得意外发现，并导致后来以他的名字命名的云室的发明.

1895年初，威尔逊在卡文迪什实验室开始了对云雾形成的研究，他利用柯利耳(Colier)和爱特肯(J.Aitken)的方法，使潮湿空气膨胀形成云雾，实验获得了成功.然而，在实验中他意外地发现，爱特肯有一个经验与事实有些不符.爱特肯认为，当空气中没有尘埃时不能产生云雾，但威尔逊的实验结果却是，使无尘埃的潮湿空气膨胀而造成较大程度的过饱和，的确不会形成云雾，但当过饱和超过一定限度时就形成了云雾.于是他做了一个测量膨胀的仪器，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.他发现，膨胀比有一个临界值，无尘埃的潮湿空气的膨胀比若不超过这个限度，就不会形成水滴；如果超过了这个限度，就会看到有细雨似的水滴下降.威尔逊利用改进的仪器重新做了实验，结果发现还存在第二临界膨胀值，如果膨胀比超过这个限度，在无尘空气中就会形成密云.此时的凝聚除了蒸气或气体分子外没有任何其他凝结核参与.威尔逊对这个实验现象作了分析.他想，在膨胀实验中，凝结核的数目是有限的，而且总是会重新产生；凝结核的大小与分子的大小差不多，“它们是带电的原子或离子吗？”威尔逊猜测道.

3 云室的发明

1895年秋，德国物理学家伦琴发现X射线的消息传到英国，1896年初，卡文迪什实验室主任J·J·汤姆孙(Joseph John Thomson ,1856～1940年)就开始了空气受X射线照射后导电特性的研究，并提出气体电离理论.威尔逊因而有机会接触当时原始形式的X射线管.他用X射线照射云室，发现在膨胀比达到一定限度时形成了云雾.这个实验表明，X射线产生了大量的凝结核，它们和空气中产生的极少量的核同属一类.在此后的两年中，威尔逊用他发明的膨胀仪研究了X射线、新发现的铀射线、紫外线、尖端放电及其他方法在空气中产生的凝结核.实验结果表明，由纯粹电离作用产生的核使水蒸气凝聚所要求的最小过饱和值全都相同，由电离作用产生的凝结核在电场中的性质表明它们确实是带电离子.这就支持了J·J·汤姆孙的气体电离理论.这些研究报告于1898年秋送交了皇家学会.

带电粒子看不见，但带电粒子作为凝结核可以使水蒸气在它周围凝成雾珠，雾珠是看得见的.可以利用这个性质来显示带电粒子的踪迹.遗憾的是，由于威尔逊忙于别的研究工作，没有继续从事这方面的研究.

直到1910年，威尔逊重新开始了膨胀云室的研究，他现在思考的问题是使已知电荷的离子通过凝聚而成为可见的、可数的和可照相的痕迹的方法.当时，α和β射线的微粒性概念已得到人们的确认，他想，当带电粒子穿过空气时由于和空气中的气体分子碰撞而使气体分子电离，从而在入射粒子的运动路径上生成大量的正负离子对，过饱和的水蒸气将以这些正负离子为核心凝成雾珠，而雾珠是可见的和可照相的.有了这种想法，威尔逊开始着手试验膨胀仪器的最合适的形状，寻找拍摄云雾颗粒的瞬时照相的有效方法.1911年春，试验尚未完成.有一天，他用已做好的粗糙仪器试验一下能否看见某些痕迹，实验用的是X射线，虽然没抱多少成功的希望，但结果却令他欣喜：云室中出现了云雾构成的细小线条，这些线条就是由于射线作用而产生的电子的径迹.后来，他把闪烁镜上装有镭的金属片放到云室里，第一次看到了沿α粒子径迹凝聚成的非常漂亮的云雾图像；当让适当的放射源靠近云室时，还看到了快速β粒子的长线状径迹.1911年夏，可拍照的膨胀云室终于设计完成了，他用α粒子的径迹照片，证实了W·H布拉格不久前关于X射线粒子性的分析.威尔逊指出，要得到一张好的云室径迹照片，需要满足两个条件：首先，膨胀不能搅动气体.为了保证这一点，可使用扁而宽的云室，它的底可以突然下降，可根据要求增加容积.其次，云室内不能有“尘埃”粒子，也不能有离子，待观察的电离离子除外.为此，需在云室的顶部和底部之间加一个电场.

4 云室的改进及对粒子物理学的贡献

威尔逊云室能使那些小得无法直接观察的粒子的运动轨迹显示出来，甚至也可把那些高速粒子发生相互撞击使运动方向发生改变的情形拍摄下来.因此，它一经发明便立即受到人们的普遍重视与运用，对于检验理论和探索新型粒子做出了不可磨灭的贡献.

1923年康普顿(Arthur Holly Compton,1892～1962年)发现了X射线散射后波长变长的现象，即康普顿效应，他用光子与电子碰撞时动量与能量守恒定律作出解释.在人们对此将信将疑时，威尔逊用云室拍摄到的反冲电子的径迹，令人信服地证实了康普顿散射理论，为爱因斯坦光子说提供了实验依据.由于这项工作及他发明的云室，他和康普顿共获1927年度诺贝尔物理奖.

后来，人们利用威尔逊云室又发现了许多新型粒子.首先是正电子的发现.1932年，美国加州理工学院的C·D·安德森(Carl David Anderson,1883～1964年)利用威尔逊云室研究宇宙射线，在宇宙射线的云室照片中发现了正电子的径迹，这是利用云室发现的第一个反粒子——正电子，从而证实了狄拉克(P.A.M.Dirac)关于存在正电子的预言.安德森因此荣获1936年度诺贝尔物理奖.1937年，安德森又用它发现了汤川秀树在1935年从理论上预言的μ(介)子.1955年，我国科学家王淦昌和他的合作者利用大型云室发现了反西格马负超子.

1925年在卡文迪什实验室，年轻的布拉开特(M.S.Blackett，1897～1974年)在卢瑟福和威尔逊的指导下致力于用云室研究α粒子撞击氮原子核的问题.他从拍摄到的两万多张云室照片中得到了8张照片，证实了卢瑟福1919年所做的世界上最早实现的人工核反应实验.

1932年布拉开特(P.M.S.Blackett)和奥恰利尼(G.P.S.Occhialini)合作，开始用威尔逊云室研究宇宙射线.由于宇宙射线稀少，如果让云室随机地膨胀和拍照，大约每百张照片中只有2～5张上有宇宙射线的径迹，这使他们想到云室摄影的自动化问题.解决的办法是在竖直放置的云室上下两侧各置一盖革计数管，使得经过云室的宇宙射线必将先后穿过两个计数管.布拉开特设计了一种电路，只有从两个计数管来的讯号相耦合时才能触发云室的膨胀而产生记录照片.布拉开特用这种自动化技术控制云室摄影，约80%的照片上都有射线径迹.他们通过对大约7 000张照片的分析，证实了几个月前安德森发现的正电子，直观地说明了正负电子对的产生和湮灭过程.1933年布拉开特转到伦敦大学伯克贝克学院担任教授.在那里，他继续用云室方法研究宇宙射线，他研制出了用于云室的大面积匀强磁场装置，并用这台装置拍摄了大量宇宙射线径迹的照片.由于布拉开特对云室技术的改进及由此对核物理和宇宙射线的一系列新发现而荣获1948年度诺贝尔物理奖.

1952年，美国加州大学的格拉塞(D.A.Glaser)在云室中直接用液体代替气体-蒸汽混合物而发明了泡室.泡室的出现为探测高能带电粒子又提供了一种有效手段，为此格拉塞荣获1960年度诺贝尔物理奖.

一件科学仪器的发明能导致如此多的发现和发明，能使如此多的人荣获诺贝尔物理奖，这在诺贝尔授奖史上也是不多见的.难怪卢瑟福评价云室是“科学史上最新最精彩的仪器”.德国物理学家劳厄在物理学史中曾这样评价云室，“在今天的物理学家中，很普遍地流行着这样一种信念：不仅认为原子具有相当复杂的结构，而且基本粒子也和外在世界的其他事物一样，具有完全的实在性.但是，这还是不太久的事，对于它的怀疑持续到20世纪——但是，最主要的确实是威尔逊云室，它明显地显示了单个荷电基本粒子或原子的径迹，从而排除了一切的怀疑.”回首20世纪物理学的发展，我们不得不对威尔逊这个伟大的名字表示深深的敬仰.

参考文献

1 宋玉升,等译.诺贝尔奖获得者演讲集 物理学(第二卷).北京：科学出版社，1985.167～185

2 R·L·韦伯著.诺贝尔物理学奖获得者(第1版). 李应刚,宁存政译.上海：上海翻译出版公司，1985.88～90

3 吴芝兰，郑钦贵编译.诺贝尔物理学奖金获得者(1901～1984)(第1版).福州：福建教育出版社，1983.129～131