Атомным прибором огромной важности явилась ионизационная камера, сконструированная английским физиком . Это знаменитое изобретение принесло Вильсону Нобелевскую премию 1937 г., а созданная им камера Вильсона навсегда увековечила имя своего создателя. Камера возникла из наблюдения, сделанного в 1897 г., заключающегося в том, что ионы являются центрами конденсации водяных паров. Основываясь на этом наблюдении, Г. А. Вильсон предложил метод определения заряда электрона, из которого, как мы видели, развились методы Милликена. Статья Чарлза Томаса Риса Вильсона , описывающая это наблюдение, называлась "Конденсация водяного пара в присутствии обеспыленного воздуха и других газов". В истории лаборатории Кавендиша, вышедшей в 1910 г., Д. Д. Томсон , бывший в это время руководителем лаборатории, писал об открытии Вильсона: "Мы должны теперь рассмотреть замечательную серию исследований Ч. Т. Р. Вильсона об условиях конденсации воды в обеспыленных газах, насыщенных водяным паром. Эти исследования не только значительно увеличили наши знания по исследуемой проблеме, но и открыли новый и поразительный метод исследования свойств ионизационного газа".

Томсон был прав, назвав новый метод "поразительным", однако вряд ли он в то время, когда писал эти строки, представлял себе все могущество этого метода. В работах 1897 г. Вильсон показал, что центрами конденсации в обеспыленном воздухе являются ионы, производимые рентгеновскими или беккерелевыми лучами. При этом для образования капель на отрицательных ионах требовалось внезапное расширение до 1,252 первоначального объема, для образования же капель на положительных ионах требовалось расширение до 1,375 первоначального объема. Через год-два после того, как Томсон написал выше процитированные строки, Вильсон сделал сообщение (1911), в котором описал "метод обнаружения путей ионизирующих частиц во влажных газах, основанный на конденсации пара на ионах, непосредственно после образования этих ионов".

Первые результаты не удовлетворили Вильсона и в 1912 г. он окончательно нашел конструкцию прибора, получившего позже название камеры Вильсона.

Приведем первые вильсоновские фотографии с его пояснениями.

"Эти рисунки представляют собою снимки с фотографий облачков, конденсировавшихся на ионах, которые освобождаются при прохождении лучей разного рода сквозь влажный газ. В последующем 1 обозначает плотность воздуха перед расширением (по отношению к насыщенному водяным паром воздуху при 15° С и 760 мм рт. ст. ), 2 - плотность после расширения, v 2 / v 1 - величину расширения, V - разность потенциалов между крышкой и дном ионизационной камеры в вольтах, М - увеличение фотографического аппарата. Во всех случаях крышка камеры была положительна, так что отрицательные ионы двигались вверх, положительные же - вниз.

Ионизация α-лучами.

Ось фотографической камеры вертикальна; горизонтальный слой глубиной в 2 см освещается ртутной искрой.

Рис. 1 (табл. I). α-лучи радия. Одни из α-частиц прошли сквозь воздух до расширения, другие - после него.

1 = 0,98, v 2 / v 1 = 1,36, 2 = 0,72, V = 40 в, М = 1 / 2,18 .

Рис. 2 (табл. I). α-лучи радия. Все α-частицы прошли сквозь воздух после расширения.

1 = 0,97, v 2 / v 1 = 1,33, 2 = 0,73, V = 40 в, М = 1,05.

Рис. 3 (табл. I). α-лучи радия. Увеличение части рис. 2.

1 = 0,97, v 2 / v 1 = 1,33, 2 = 0,73, V = 40 в, М = 2,57.

Рис. 4 (табл. I). α-лучи радиевой эманации и активного осадка.

1 = 1,00, v 2 / v 1 = 1,36, 2 = 0,74, V = 40 в, М = 1 / 124 .

Рис. 5 (табл. I). Полный путь α-частицы, выброшенной радиевой эманацией.

Этот прибор был сконструирован в 1911 г. английским физиком Ч.Вильсоном. Он основан на способности быстро летящих частиц ионизировать молекулы вещества, находящегося в парообразном состоянии.

Схема камеры Вильсона изображена на рис. 22.2.

Рабочий объем камеры 1 заполнен воздухом или другим газом и содержит в себе насыщенный пар воды или спирта. При быстром передвижении поршня 2 вниз пар или газ в объеме 1 адиабатно расширяется и охлаждается, при этом пар становится перенасыщенным. Когда через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых при расширении объема 1 образуются капельки сконденсировавшегося пара. Таким образом, частица оставляет за собой видимый след (трек) в виде узкой полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать.

Альфа-частицы вызывают сильную ионизацию газа и поэтому оставляют в камере Вильсона жирные следы. Бета-частицы после себя оставляют очень тонкие треки (рис. 22.3).

Гамма-кванты могут быть обнаружены с помощью камеры Вильсона по фотоэлектронам, которые они выбивают из молекул газа, заполняющего рабочий объем камеры.

Камеру Вильсона часто помещают в сильное магнитное поле, что позволяет по искривлению треков частиц определять их энергию и знак заряда, а по толщине треков - заряд и массу частиц.

Газоразрядные счетчики

В исследованиях по ядерной физике часто используют счетчики заряженных частиц, которые служат для регистрации отдельных частиц. Рассмотрим принцип действия одного из видов счетчиков - пропорционального

(рис. 22.4).

Счетчик состоит из наполненного газом цилиндра 1, в который введены два электрода: анод 3 представляет собой тонкую металлическую нить, оба ее конца укреплены на изоляторах. Катод 2 выполнен в виде токопроводящего металлического слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка нескольких сотен вольт, вследствие чего внутри счетчика создается электрическое поле. При попадании в счетчик частица ионизует молекулы газа и в электрическом поле между катодом и анодом возникает направленное движение ионов, т. е. происходит газовый разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R н , и напряжение между электродами сильно уменьшается, поэтому разряд прекращается. После прекращения тока между катодом и анодом вновь восстанавливается большое напряжение и счетчик готов к регистрации, следующей частицы. Импульс напряжения, возникающий на сопротивлении R н , усиливается и регистрируется специальным счетным устройством. Пропорциональными счетчики называют потому, что сила тока газового разряда, возникающего после прохождения ионизирующей частицы, пропорциональна числу образованных ею ионов.

Одна из разновидностей пропорциональных счетчиков была предложена Э. Резерфордом и Г.Гейгером в 1908 г. Впоследствии в 1928 г. счетчик был усовершенствован Э. Мюллером и получил название счетчика Гейгера-Мюллера.

Радиоактивность - это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров .

Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана, засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.

Назначение прибора

Камера Вии́льсона- один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Камеру Вильсона можно назвать “окном” в микромир. Она представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спиртами близкими к насыщению.

Изобретатель прибора

Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона

(1912).Она изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. За это изобретениеЧ. Вильсону в 1927 г.

присуждена Нобелевская премия.

Ч.Вильсон

Камера Вильсона.

Стеклянная пластина

Устройство.

Стеклянный

Стеклянная

Черная ткань

Насыщенный

Устройство.

Камера Вильсона. Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Принцип роботы

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. пересыщенного пара Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа

результате которого образовались ядро кислорода и

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена
Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).
Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 -3 -10 -4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно ≈ 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), 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 > 1 мин.

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.
Наблюдение позитрона в камере Вильсона (рис. 2) , помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

Камера Вильсона.

Камера Вильсона (рис. 38.1) была изобретена шотландским физиком Ч.Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

Рисунок 38.1.

Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S ~ 10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.

Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1 < S < 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа-частицы.