Камера вильсона принцип действия кратко

Обновлено: 04.07.2024

Фотография треков от ионизирующего излучения в камере Вильсона (короткие: от α-частиц, длинные: от β-частиц). Анимационная версия.

Ка́мера Ви́льсона (она же туманная камера) — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц.

Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).

В 1927 г. советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру в сильное магнитное поле, искривляющее треки, для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) [1] .

Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненная насыщенными парами воды, спирта или эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у молекул воды не было центров конденсации. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений и исследования космических лучей:

В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам.

См. также

Примечания

↑Атомная энциклопедия
↑ 12Мещеряков М. Г., Перфилов Н. А.Памяти Льва Владимировича Мысовского (К семидесятипятилетию со дня рождения) // Выпуск УФН : Сборник УФН. — М ., 1963. — В. Ноябрь.

История физики
Детекторы ионизирующего излучения

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Камера Вильсона" в других словарях:

КАМЕРА ВИЛЬСОНА — (туманная камера), прибор, служащий для идентификации заряженных частиц. Камера была изобретена в 1880 х гг. английским физиком Чарльзом Вильсоном с целью изучения атомной радиации и усовершенствовалась на протяжении нескольких десятилетий.… … Научно-технический энциклопедический словарь

камера Вильсона — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN Wilson chambercloud chamber … Справочник технического переводчика

камера Вильсона — Vilsono kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. expansion chamber; Wilson chamber; Wilson cloud chamber vok. Nebelkammer, f; Wilson Kammer, f rus. камера Вильсона, f; конденсационная камера, f pranc. chambre de Wilson, f … Fizikos terminų žodynas

камера вильсона — Трековый детектор с пересыщенным паром, образуемым при быстром расширении рабочего объема прибора … Политехнический терминологический толковый словарь

камера Вильсона с магнитным полем — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN magnetic cloud chamber … Справочник технического переводчика

камера Вильсона высокого давления — didžiaslėgė Vilsono kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. high pressure cloud chamber vok. Hochdrucknebelkammer, f rus. камера Вильсона высокого давления, f pranc. chambre de Wilson à haute pression, f … Fizikos terminų žodynas

диффузионная камера Вильсона — difuzinė Vilsono kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. diffusion chamber; diffusion cloud chamber vok. Diffusionsnebelkammer, f; kontinuierliche Nebelkammer, f rus. диффузионная камера Вильсона, f pranc. chambre de Wilson à diffusion … Fizikos terminų žodynas

ВИЛЬСОНА КАМЕРА — прибор для наблюдения следов (треков) заряж. ч ц. Основан на конденсации пересыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траектории заряж. ч цы. Ч цы могут либо испускаться источником, помещённым внутри камеры, либо попадать в неё извне. Треки… … Физическая энциклопедия

Камера — (позднелат. camera комната, келья) какая либо закрывающаяся комната либо замкнутое пространство либо устройство, важной частью которого является замкнутая полость: Камера кессон, изолированный от окружающего водоема герметичными… … Википедия

Вильсона камера — Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного… … Википедия

Для того, чтобы наблюдать невидимые глазу мельчайшие частицы, учёные изобретали методы исследования воздействия этих частиц на среду, методы регистрации этих воздействий, по которым можно было определить скорость, энергию, заряд частицы.

Одним из первых изобретателей является шотландский физик Чарлз Вильсон, который создал камеру регистрации следов частиц на основе взаимодействия их с перенасыщенным паром.

Устройство прибора
На рисунке камера Вильсона представляет собой стеклянную колбу и поршень. Колбу тщательно очищают от пыли, чтобы не было центров конденсации. Камеру заполняют насыщенными парами воды, спирта или эфира.

Принцип работы
При движении поршня вниз пары становятся перенасыщенными, т. е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы через специальное окошко внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации, и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать.

Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным, меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно больше \(1\) минуты.

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.

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 1934 году Л. В. Мысовским и Р. А. Эйхельбергером с помощью камеры Вильсона были произведен ы 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 последние годы камера Вильсона уступила своё место пузырьковой и искровой камерам.

Камера Вильсона (она же туманная камера) — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне её (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).

Очень странно думать о том, что нас постоянно бомбардируют крохотные частицы, движущиеся со скоростью света. Хотите увидеть свидетельство их существования? Смотрите видео. Не верите видео, или просто хотите увидеть следы в испарениях собственными глазами – продолжайте читать эту инструкцию.

Шаг 1: материалы

Вот, что мне понадобилось для постройки собственной туманной камеры:

Пенопласт (купил уже нарезанным на куски нужного размера);
Аквариум;
Лист металла;
Чёрный пластилин;
Чёрная плотная бумага;
Чёрная изолента;
Клей;
Шкурка;
Фонарик или проектор для слайдов (нужен чёткий и яркий луч света);
Сухой лёд (для охлаждения основания камеры);
Изопропиловый спирт концентрации 91% или более (70% не подойдёт!);
Вода.

Нож;
Шпатель (помогал себе при отрезании пенопласта);
Линейка;
Маркер;
Термопластичный клей;
Магниты.

Шаг 2: конструируем изолированную коробку для сухого льда

Коротко говоря, необходимо сделать теплоизолирующий короб, который мы наполним сухим льдом. Он должна быть достаточно большим, чтобы в нём плотно сидела металлическая пластина. Я использовал пластину как трафарет для вырезания коробки из пенопласта. Потом я зашкурил пенопласт и склеил всё вместе. При резке пенопласта я сначала использовал нож для намётки разреза, а потом оставшуюся толщину я проходил шпателем. Уверен, что есть способ резать пенопласт лучше, но поскольку я всё равно его потом зашкуривал, результат резки меня не очень волновал.

Шаг 3: готовим металлическое основание

Металлическая пластина кладётся сверху на сухой лёд для теплопередачи между ним и камерой. Самое важное – пластину с аквариумом необходимо соединять герметично. Это позволяет поддерживать высокую концентрацию спирта в камере и получать перенасыщенный пар. Для этого я решил заполнить желобок по краю аквариума водой или лишним спиртом. А чтобы сделать желобок, я использовал пластилин и сделал из его две дорожки на металлической плите. Потом, чтобы белые следы в парах контрастировали с нижней частью камеры, я наклеил на пластину чёрную бумагу. Благодаря ей следы в парах было видно гораздо лучше.

Шаг 4: готовим аквариум

Шаг 5: собираем всё вместе!

И вот теперь коробка для сухого льда, металлическое основание и аквариум готовы к работе!

Сначала нужно наполнить пенопластовую коробку сухим льдом, а потом разместить на нём металлическое основание. Оно, вероятно, жутко заскрипит во время быстрого охлаждения, но это вскоре должно прекратиться.

Затем налейте на фетр спирта, пока он не станет мокрым, и поместите аквариум вверх ногами на металлическом основании. Залейте воды или спирта в канал из пластилина, чтобы обеспечить герметичность камеры.

Теперь погасите в комнате свет и подсветите камеру источником света. Я закрыл все стороны аквариума, кроме одной, плотной чёрной бумагой, чтобы космические лучи было проще снимать. Почти сразу же вы должны увидеть, как конденсат спирта начнёт падать вниз, и примерно через 10 минут из него сформируется перенасыщенный пар. После этого ближе к нижней части камеры вы должны увидеть следы, оставляемые частицами в парах.

Камера Вильсона — детектор треков быстрых заряженных частиц, в котором используется способность ионов выполнять роль зародышей водяных капель в переохлажденном перенасыщенном паре.

Для создания переохлаждённого пара используется быстрое адиабатическое расширение, сопровождающееся резким понижением температуры.

Быстрая заряженная частица, двигаясь сквозь облако перенасыщенного пара, ионизирует его. Процесс конденсации пара происходит быстрее в местах образования ионов. Как следствие, там, где пролетела заряженная частица, образуется след из капелек воды, который можно сфотографировать. Именно из-за такого вида треков камера получила свое английское название — облачная камера (англ. cloud chamber ).

Камеры Вильсона обычно помещают в магнитное поле, в котором траектории заряженных частиц искривляются. Определение радиуса кривизны траектории позволяет определить отношение удельного электрического заряда частицы, а, следовательно, идентифицировать её.

Камеру изобрел в 1912 году шотландский физик Чарльз Вильсон. За изобретение камеры Вильсон получил Нобелевскую премию по физике 1927 года. В 1948 за совершенствование камеры Вильсона и проведенные с ней исследования Нобелевскую премию получил Патрик Блэкетт .

Читайте также: