物理学仪器设备

威尔逊云室

剑桥大学的年轻的苏格兰研究生威尔逊，决定用 1894 年暑期的时间帮助尼维斯山上的气象台解决难题。他回忆说：“当阳光照耀在山顶周围的云层上时，出现了一种非常奇妙的光学现象，使我十分感兴趣；我希望能在实验室里模拟这种光学现象。”于是在 1895 年，他开始了一系列的实验，企图用人工的方法产生雾、云和雨。

人们早就知道，空气的剧烈膨胀会使空气冷却，如果空气中的水蒸汽已饱和，水蒸汽就会凝结。于是他开始设计一种仪器，把空气装在一个圆筒形的玻璃室里，玻璃室的底部是一个活塞，活塞可以骤然下拉。当玻璃室里的

空气膨胀时，空气就变冷，就有水珠形成。但是要做到这一点，还需要有某种物质微粒，使水蒸汽能围绕着这个核凝结成水珠。在一般情况下，这种核是由尘埃的微粒来充当的。在威尔逊尚未从事这个题目的研究之前，科学实验停留在这样一个水平上：没有尘埃，除了仪器壁以外的地方就没有凝结现象发生。但是威尔逊这时指出，即使通过反复的凝结除掉了灰尘，如果空气的膨胀超过了一定的限度，仍然会出现“云”。也许空气中有某种其他的“核”， 可以充当这种凝结的中心。这种凝结跟围绕着尘埃微粒进行的凝结不一样， 当核沉落到底部时，凝结现象并不消失。他写道，这种核似乎“在任何时候的存在量都极少，一旦被除去，立刻就有同类的核补充上来”。这些核到底是什么东西呢？

如果空气暴露在当时新发现的 X 射线下，出现的核似乎要多一些。他很快就发现，这些核一定是离子——由于失掉了一个电子或获得了一个额外电于而带上了正电荷或负电荷的原子。在尔后的若干年中，他主要是研究雷电， 但是由于受到卢瑟福等同事对在放射性中产生的α射线和β射线的研究工作的影响，他于 1910 年又转而研究人工气候。它们能跟 X 射线产生同样的效应吗？经过很长一段时间的研究之后，他制造出了一些基于旧原理的新设备。新的云室能非常理想地显示出α射线和β射线在穿过云室时产生离子的效

应。当水气围绕着每一个离子进行凝结的时候，能清楚地看到这此粒子的轨迹，而且能拍下来，看见照片上的粒子拖着蒸汽尾巴。

以前，α粒子和β粒子的存在必须从它们的大量行为来推断，现在人们可以追踪单个的粒子，就像能根据马蹄印追踪马一样，十分清楚。更妙的地方是，像威尔逊在 1912 年指出的那样，这些照片似乎证实了卢瑟福关于这些粒子的真正性质的解释，还证实了他在这以后提出的关于原一子的理论。事实上，威尔逊云室在第一次世界大战后的若干年内，是研究亚原子粒子的物理学家手中最好的工具。科学家们拍了一些反映核转变和核裂变的结果的照片；宇宙射线和正电子都是用云室首次观察到的。因此我们说，威尔逊在两三个机械师的帮助下提供了一种变革基础科学的手段。