Камера Вильсона: увидеть след частицы своими глазами
Большой вопрос
Как увидеть то, что меньше атома? Элементарные частицы невидимы — но они оставляют следы. Камера Вильсона делает эти следы видимыми: вы буквально смотрите на траектории частиц, прилетевших из космоса или вышедших из радиоактивного вещества.
Прямо сейчас сквозь вас проходит около одного мюона в секунду на каждый квадратный сантиметр. Камера Вильсона позволяет их увидеть.
История
Чарльз Томсон Риз Вильсон, 1911 год. Шотландский физик наблюдал за туманами в горах Шотландии и заметил: пар конденсируется легче там, где есть пылинки или ионы. Он подумал — а что если создать в лаборатории очень чистый перенасыщенный пар, в котором ионизирующие частицы станут видимы по оставляемым следам конденсации?
Первая камера заработала в 1911 году. Нобелевская премия — в 1927-м.
Карл Андерсон, 1932 год. В камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, Андерсон увидел трек, изогнутый «не в ту сторону» по сравнению с электроном. Масса та же, заряд противоположный. Это был позитрон — первая античастица, предсказанная Дираком. Нобелевская премия 1936 года.
С помощью камеры Вильсона были открыты также пион (1947) и многие другие частицы. Это был главный инструмент ядерной физики до появления пузырьковых камер в 1950-х.
Физика: почему появляются треки
Ионизация
Заряженная частица, пролетая сквозь вещество, выбивает электроны из атомов — ионизирует их. Вдоль траектории частицы остаётся цепочка ионов.
Перенасыщенный пар
Если охладить пары спирта ниже точки росы (не конденсируя их — для этого нужна чистота и отсутствие пылинок), получится перенасыщенный пар: он готов сконденсироваться, но не на что.
Ионы, оставленные частицей, становятся центрами конденсации. Пар мгновенно конденсируется вдоль траектории — и трек становится видимым как белая нить в тумане.
Как читать треки
| Частица | Трек | Причина |
|---|---|---|
| Альфа (α) | Толстый, прямой, короткий | Тяжёлая (+2), сильно ионизирует, быстро тормозит |
| Бета (β⁻) | Тонкий, извилистый | Лёгкая (электрон), отклоняется при столкновениях |
| Мюон (μ) | Длинный, прямой, тонкий | Тяжелее электрона в 207 раз, слабо взаимодействует |
| Гамма (γ) | Треков нет, но выбивает электроны | Нейтральная, сама не ионизирует |
В магнитном поле заряженные частицы изгибаются: по радиусу кривизны можно определить импульс, по направлению — знак заряда.
Оборудование
| Компонент | Цена |
|---|---|
| Прозрачный контейнер (аквариум 20×20×15 см или стеклянная миска) | 0–500 руб. |
| Изопропиловый спирт 99% (не 70%!) | 150–300 руб. |
| Сухой лёд (CO₂) 1–2 кг | 200–500 руб. |
| Чёрная бумага или фетр | 50–100 руб. |
| Фонарик (боковая подсветка) | 0–200 руб. |
| Итого | 400–1600 руб. |
Где купить сухой лёд: в точках продажи мороженого, у поставщиков газов CO₂, в некоторых супермаркетах. В Москве и СПб доступен широко; в малых городах может быть сложнее — уточните заранее.
Опционально — источник радиации: датчик дыма советского производства (содержит Am-241) или кусок урановой глазури с тарелки. Без источника тоже работает: космические мюоны видны постоянно.
Сборка и запуск
Подготовка
- Вырежьте чёрную бумагу по размеру дна контейнера, положите внутрь.
- Налейте на чёрную бумагу тонкий слой изопропилового спирта — он должен пропитать дно, но не скапливаться лужей.
- Закройте контейнер крышкой (можно обычным стеклом).
Охлаждение
- Положите контейнер дном вниз на кусок сухого льда. Между ними можно положить тонкий металлический лист для лучшего контакта.
- Подождите 3–5 минут — контейнер охладится снизу, спирт начнёт испаряться и создаст зону перенасыщения у дна.
Наблюдение
- Направьте фонарик сбоку, почти горизонтально — подсветка должна скользить вдоль дна.
- Смотрите в зону в 1–3 см от дна: именно здесь образуется перенасыщенный слой.
- Треки будут появляться и исчезать за 1–3 секунды. Они выглядят как белые нити или полосы в тумане.
Советы
- Чем темнее в комнате — тем лучше видны треки.
- Если треков нет: подождите ещё 5 минут, убедитесь что спирт 99%, а не 70%.
- Если весь объём в тумане: слишком много спирта, дайте испариться.
- Тихая комната: вибрации разрушают перенасыщение.
Что вы увидите
Без источника (только космические лучи): длинные редкие треки — мюоны из космоса. Примерно 1–2 в минуту на 10 см² площади.
С источником Am-241 (датчик дыма): короткие толстые треки альфа-частиц веером от источника. Очень эффектно.
Иногда: разветвляющиеся треки — столкновение частицы с ядром атома спирта.
Если поместить камеру в магнитное поле (большой постоянный магнит), треки изогнутся. По направлению изгиба можно определить знак заряда частицы.
Почему это важно
Камера Вильсона — не музейный экспонат. Тот же принцип (ионизация → видимый след) лежит в основе современных детекторов на LHC в ЦЕРН: только вместо пара там жидкий водород, ксенон или кремниевые пиксели.
Каждый трек — это реальная частица. Альфа из атома американского радиоактивна в сотне миллиардов лет. Мюон прилетел из стратосферы, где родился при столкновении космического протона с атмосферным азотом. Прямо у вас на столе.
Контрольные вопросы
- Почему нужен именно изопропиловый спирт 99%, а не 70%?
- Трек мюона длиннее трека альфа-частицы — почему?
- Как по треку в магнитном поле определить, какая частица — электрон или позитрон?
- Почему гамма-частицы не оставляют треков напрямую?
- Почему наблюдение ведут у самого дна, а не в середине контейнера?