Камера Вільсона, або Три Нобелівські премії, здобуті з туману

"Це найоригінальніший і чудовий інструмент в історії науки"
(Ернест Резерфорд)

14 лютого 1869, 145 років тому, на фермі поблизу Единбурга (Шотландія) народився Чарльз Томсон Різ Вільсон. Навчався він у одній з приватних шкіл міста Манчестер, потім в тамтешньому університеті і мріяв стати лікарем. Завершувати освіту він відправився в Кембридж, і тут вектор його інтересів різко змінив напрямок. Його зацікавили природничі науки.
14 лютого 1869, 145 років тому, на фермі поблизу Единбурга (Шотландія) народився Чарльз Томсон Різ Вільсон
В кінці літа 1894 Вільсон приїхав до Шотландії і здійснив сходження на Бен-Невіс, найвищу з місцевих гір. Це була не наукова експедиція, Вільсон був спортсмен, альпініст і вирішив прогулятися по рідних місцях. З цієї прогулянки, як ми тепер можемо судити, і почалося нове життя Вільсона-вченого. Там, на вершині, він був просто зачарований чудовою грою світла в оточуючих його хмарах; він милувався кольоровими гало навколо тіней, що відкидаються скелями. Загалом, там, на вершині Бен-Невіс, йому страшно захотілося все побачені ним явища відтворити в лабораторії. Фізика атмосфери - ось як тепер називається його нове захоплення.

Нобелівська премія 1927 року. Частинки в тумані

У 1895 році Чарльз Вільсон, будучи аспірантом в Кембриджської лабораторії Дж. Дж. Томпсона, починає цикл експериментів, щоб зрозуміти процеси утворення хмар. Він придумує апарат у вигляді прозорого циліндра, дно у якого може переміщатися. Швидке рух поршня вниз призводило до збільшення обсягу камери і падіння тиску і температури в ній. При цьому крізь прозоре вікно циліндра Вільсон спостерігав в камері сгущающийся туман. Явище це було вже добре відомо: на найдрібніших частинках пилу конденсувалась волога, нічого нового, все як завжди ... Чому Вільсон вирішив повторити цей досвід, наповнивши свій апарат максимально очищеним від пилу повітрям, - ось де загадка. Щось підказувало інтуїція вченого? Або просто вирішив переконатися, що в «Обезпилення» повітрі конденсації не буде, та й закрити це питання?

Так чи інакше, але досвід дав несподіваний результат: в чистому повітрі туман все одно утворюється. Чому? Що в цьому випадку може бути центрами конденсації? Через багато років Вільсон так описував емоційний стан, в якому знаходився в ті дні: «Я був дуже збуджений, адже майже відразу ж я натрапив на щось, що обіцяє бути значно цікавішим, ніж ті оптичні явища, заради яких я все це починав». Вільсон робить геніальне припущення, що волога конденсується на іони - заряджених частинках, якимось чином виникають в повітрі.

Щоб перевірити цю гіпотезу, Вільсон бере в борг у професора Томпсона одну з його дорогоцінних рентгенівських трубок (йому довелося постійно боротися зі страхом пошкодити або ненароком розбити прилад) Щоб перевірити цю гіпотезу, Вільсон бере в борг у професора Томпсона одну з його дорогоцінних рентгенівських трубок (йому довелося постійно боротися зі страхом пошкодити або ненароком розбити прилад). Вивченням іонізуючих властивостей рентгенівських променів в цей час якраз і займався Томпсон, який став тому зацікавленим учасником дослідів свого аспіранта. Ось як він описував творчі муки молодого Вільсона: «Створення туманною камери [так називався цей прилад до моменту присвоєння йому імені винахідника. - Ю. Р.] виявилося надзвичайно трудомістким процесом. Для неї було потрібно декілька дуже складних скляних деталей, які Вільсон виготовив сам, освоївши професію склодува. Пол лабораторії була встелена осколками, колби лопалися знову і знову. Вільсон не засмучувався, починав все спочатку, тільки примовляв, пристроюючи до апарату чергову колбу: "Мила, мила, ти ж потрапиш трохи?" »

Прилад, який нам знаком як «камера Вільсона» і який на 40 років стане найважливішим інструментом в арсеналі фізики елементарних частинок, був виготовлений в 1910 році. Через рік йому вдається зробити перші фотографії туманних треків (слідів) заряджених частинок, що пролітали через камеру. У 1959-му, у віці 90 років, він не забув ці події і описав їх такими словами: «Я до сих пір добре пам'ятаю моє захоплення від отриманих результатів. Ці сліди були прекрасні. Вони нагадували волоски або вогники, що виникають то тут, то там ... Це було приголомшливо ».

У 1927 році йому присуджують Нобелівську премію з фізики «за метод візуального виявлення траєкторій електрично заряджених частинок за допомогою конденсації пари». Займатися подальшими вдосконаленнями своєї камери він не став: проблеми електрофізики атмосфери його цікавили значно більше. В кінці життя він переселився з родиною в село Карлопс. Колишній депутат парламенту Тем Деліелл, який проживав з ним по сусідству, так згадує першу зустріч з Вільсоном: «Йшов дощ. У мої двері постукали, я відкрив. На порозі стояв сусід, і він запитав, чи не хочу я прийти до нього випити чашечку чаю. Поки він займався чайником, я помітив на стіні фотографію, яка змусила мене завмерти. На ній були 15 чоловіків і одна жінка. Альберт Ейнштейн, Марія Кюрі і всі великі фізики того часу. Серед них був чоловік, він був молодший на 40 років, ніж зараз, але це був запросив мене на чай сусід. Я мало не впав. Виявляється, він і є той самий великий Вільсон, який допоміг людству вступити в ядерне століття ».

Нобелівська премія 1948 року. Туман під контролем

Принципово поліпшити камеру Вільсона вдалося Патріку Мейнарду Стюарту барону Блекетт. Кадровий офіцер ВМФ брав участь в боях Першої світової війни на Фолклендських островах і в Ютландії. Після війни пішов у відставку і зайнявся фізикою під керівництвом Ернеста Резерфорда в Кембриджі.
Принципово поліпшити камеру Вільсона вдалося Патріку Мейнарду Стюарту барону Блекетт
Пізніше він доб'ється чудових наукових результатів і зробить кілька видатних відкриттів, але все це - тема окремої розмови. Зараз важливо інше. У 1932 році, працюючи з молодим італійським фізиком Джузеппе Очіаліні (на фото нижче), він розробив витончену комбінацію камери Вільсона і двох лічильників Гейгера - Мюллера, один з яких містився над камерою, а другий - під нею. Спеціальна електронна схема запускала камеру Вільсона в роботу, тільки якщо обидва лічильника спрацьовували одночасно.

Завдяки винаходу Блекетт камера Вільсона придбала «діаграму спрямованості»;  її тепер можна було налаштовувати на фіксацію частинок, що прилітають з заданого напрямку Завдяки винаходу Блекетт камера Вільсона придбала «діаграму спрямованості»; її тепер можна було налаштовувати на фіксацію частинок, що прилітають з заданого напрямку. Більш того, встановлюючи поріг спрацьовування лічильників Гейгера, виявилося можливим фільтрувати спостерігаються частки по енергіях. Обидва ці фактори призвели до колосального прогресу в галузі досліджень космічних променів, астрофізики і фізики елементарних частинок в цілому. У 1948 році Блекетт був удостоєний Нобелівської премії з фізики «за вдосконалення методу камери Вільсона і зроблені в зв'язку з цим відкриття в галузі ядерної фізики і космічної радіації».

Нобелівська премія 1960 року. Бульбашки і туман

Якщо в камері Вільсона треки заряджених частинок утворювалися за рахунок конденсації переохолодженого пара на іони, то в приладі, який винайшов в 1953 році і назвав «бульбашкового камерою» Дональд Артур Глейзер, сліди часток виникали в перегрітій рідині при зниженні тиску. В цьому випадку виникав як би «туман навпаки»: по ходу руху частинки в рідині утворювалися ланцюжка бульбашок, наповнених парою.
Якщо в камері Вільсона треки заряджених частинок утворювалися за рахунок конденсації переохолодженого пара на іони, то в приладі, який винайшов в 1953 році і назвав «бульбашкового камерою» Дональд Артур Глейзер, сліди часток виникали в перегрітій рідині при зниженні тиску
Глейзер провів безліч експериментів з різними рідинами, включаючи навіть пиво (спочатку він стверджував, що сама ідея бульбашкового камери прийшла йому в голову, коли він спостерігав «закипання» пива при відкорковуванні пляшки; пізніше зізнався, що «пивного натхнення» не було, але факт залишається фактом: у перші моделі бульбашкового камери він заливав світле пиво, і камера відмінно працювала!)

Бульбашкова камера Глейзера виявилася настільки вдалим приладом, що з 60-х років вона повністю витісняє камери Вільсона. І Нобелівська премія з фізики 1960 року дісталася Дональду Глейзеру саме «за винахід бульбашкової камери». Експерименти на прискорювачах в усьому світі починають проводитися з використанням все більших кріогенних бульбашкових камер, які перетворюються в складні інженерні комплекси, нафаршировані електронікою.

Зараз «епоха туману і пара» в експериментальної фізики частинок завершується, і на зміну бульбашковим камерам приходять нові типи детекторів. Але це вже зовсім інша історія ...

Щось підказувало інтуїція вченого?
Або просто вирішив переконатися, що в «Обезпилення» повітрі конденсації не буде, та й закрити це питання?
Чому?
Що в цьому випадку може бути центрами конденсації?
Вільсон не засмучувався, починав все спочатку, тільки примовляв, пристроюючи до апарату чергову колбу: "Мила, мила, ти ж потрапиш трохи?
Навигация сайта
Новости
Реклама
Панель управления
Информация