Камера Вильсона. Движение частиц

Прогулка по туманным горам Шотландии в 1911 году вдохновила ученого на создание прибора, способного отслеживать движение крошечных частиц. Те закручивающиеся полоски, которые увидел ученый в туманной камере, оказались следами гостей из субатомного мира.

В 1911 году английский физик Чарльз Вильсон взбирался на Бен-Невис, самую высокую точку Шотландии, и ему посчастливилось увидеть «брокенский призрак» — оптическое явление, когда тень наблюдателя превращается в огромную фигуру, окруженную радужным гало, на поверхности облаков или тумана. Это зрелище навело Вильсона на мысль о том, что содержащийся в облаках водяной пар может конденсироваться вокруг песчинок и других пылевых частиц.

«Брокенский призрак» — это оптическая иллюзия, когда наблюдатель видит собственную тень, которая ложится на невидимое облако перед ним. Обычно такие облака едва различимы, если только не являются нижним краем плотной облачности, находящимся в горах намного ниже наблюдателя. Тень человека падает на облако и смотрится на нем стоящей в отдалении огромной фигурой.

Наблюдение ионов

Возвратившись в лабораторию, Вильсон решил воспроизвести облако в экспериментальной установке и наполнил ее объем парами воды при контролируемой температуре и давлении. Ученый подобрал параметры, при которых из капелек формировалась облачная среда — примерно как это происходит в природе, и в ходе опытов обнаружил, что ионы (заряженные атомы, потерявшие электроны или захватившие «лишние») являются неплохими центрами конденсации. Более того, когда через перенасыщенный водяной пар пролетали субатомные частицы — например, альфа-частицы, — они на своем пути выбивали электроны из атомов, оставляя ионный след. (Этот след был виден по туману конденсации.)

Таким образом, конденсационная камера Вильсона могла служить детектором частиц. Разумеется, такая находка не осталась без усовершенствований, и вскоре другие физики стали добавлять свои идеи. Так, пары воды заменяли парами спирта, эфира или диоксидом углерода. Также в установку добавили магнитное поле, чтобы отклонять заряженные частицы и рассчитывать их характеристики. Направление отклонения зависит от заряда частиц, тогда как угол отклонения позволяет рассчитывать массу. На протяжении четырех десятилетий конденсационная камера Вильсона (так ее иногда называют) давала ученым возможность воочию наблюдать субатомный мир и находить в нем все новые частицы.

Высокоскоростная камера записывает в конденсационной камере Вильсона следы капелек, которые выявляют траектории альфа-частиц