Камера Вильсона

Первым в истории прибором для регистрации следов (треков) заряженных частиц, позволяющим исследовать элементарные частицы слала Камера Вильсона, изобретённая в 1912 году шотландским физиком Ч. Вильсоном. Причём след заряженной частицы можно наблюдать непосредственно или сфотографировать.

Внешний вид первой камеры Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на явлении конденсации перенасыщенного пара, т. е. на образовании мелких капелек жидкости на каких-либо центрах конденсации, например на ионах, образующихся вдоль заряженной частицы.

Схема устройства камеры Вильсона

Камера Вильсона представляет собой геометрически стеклянный закрытый сосуд (на рисунке камера показана в разрезе) со стеклянной крышкой, внутри которого может перемещаться поршень. На дне камеры находится чёрная ткань, увлажнённая смесью воды с этиловым спиртом, благодаря чему воздух в цилиндре очень близок к насыщению. При резком опускании поршня, вызванным уменьшением под ним давления, пар в камере адиабатно расширяется, его внутренняя энергия уменьшается. В результате чего пар охлаждается и становится перенасыщенным. Находясь в крайне неустойчивом состоянии, пары жидкости будут легко конденсироваться на таких центрах конденсации, как ионы, образующиеся в камере при пролёте в ней элементарной частицы. Если изучаемые частицы проникают в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры) сразу после расширения пара, то на их пути появляются капельки воды (их размер порядка ), которые и образуют видимый след пролетавших частиц – треки. Стоит также отметить, что при расширении пара центрами конденсации могут служить частички пыли, что вызвало бы появление тумана. Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как воздух в ней предварительно отчищают.

Освещая треки сбоку сильной лампой, их можно сфотографировать через прозрачную крышку камеры. Но следы частиц в камере существуют недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капли испаряются.

Для получения новых следов, необходимо восстановить чувствительность камеры: удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух нагревшийся в камере при сжатии, охладиться, и произвести новое расширение. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Время восстановления рабочего режима зависит от размера камеры и может быть от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счётчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека – её скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше её энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше её скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины.

Фотографии треков заряженных частиц в камере Вильсона Для просмотра фотографий кликните по их миниатюрным изображениям

Если камеру Вильсона поместить в магнитное поле, то сила, действующая со стороны этого поля (сила Лоренца) на заряженную частицу, будет искривлять траекторию частицы, не изменяя модуля её скорости. Впервые такие треки (а именно треки α-частиц) наблюдал наш советский академик П. Л. Капица в 1923 году. В 1924 году искревление треков электронов и других лёгких частиц наблюдал и другой наш советский академик Д. В. Скобелицын.

По направлению изгиба можно судить о знаке заряда частицы. Причём чем больше заряд частицы, тем  и чем меньше её масса, тем трек имеет большую кривизну. По заряду частицы и кривизне её трека можно найти массу частицы. Измерив радиус траектории, можно определить скорость и энергию частицы, если известны её масса и заряд.

За изобретение первой визуальной камеры регистрации элементарных частиц в 1927 году Ч. Вильсону была присуждена Нобелевская премия.

Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она была практически единственным визуальным прибором регистрации и исследования ядерных и космических излучений:

● В 1930 году советскими физиками Л. В. Мысовским и Р. А. Эйхельбергером по проведению опытов с рубидием и камерой Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа .

● В 1934 году Л. В. Мысовским и Р. А. Эйхельбергером с помощью камеры Вильсона были произведены эксперименты, в ходе которых было доказано присутствие нейтронов в составе космического излучения.

● В 1934 году исследование космического излучения  американском физиком К. Андерсеном позволили обнаружить первую античастицу – позитрон. А в 1937 году К. Андерсону вместе с другим американским физиком, С. Неддермайером, тем же способом удалось открыть ещё один тип элементарных частиц – мюоны (μ-мезоны).

● В 1947 году английским физиком С. Пауэллом также при исследовании космического излучения были зарегистрированы пионы (π-мезоны) и т. д.

В последние годы камера Вильсона уступила своё место пузырьковой и искровой камерам.