Камера Вільсона
Єлькін Валентин, 36 група'
Зміст
Загальний опис Ка́мера Ви́льсона)
Камера Вільсона (вона ж туманна камера) — один з перших в історії приладів для реєстрації слідів (треків) заряджених частинок.
Винайдена шотландським фізиком Чарльзом Вільсоном між 1910 і 1912 р. Принцип дії камери використовує явище конденсації перенасиченого пара:
при появі в середовищі перенасиченого пара якихось центрів конденсації (зокрема іонів, що супроводжують слід швидкої зарядженої частинки) на них утворюються дрібні краплі рідини.
Ці краплі досягають значних розмірів і можуть бути сфотографовані. Джерело досліджуваних частинок може розташовуватися або всередині камери, або за її межами
(в цьому випадку частинки залітають через прозоре для них вікно).
У 1927 р. радянські фізики П. Л. Капіца і Д. В. Скобєльцин запропонували поміщати камеру в сильне магнітне поле, искривляющее треки, для дослідження кількісних характеристик частинок
(наприклад, маси і швидкості)[1].
Камера Вільсона являє собою ємність з скляною кришкою і поршнем в нижній частині, заповнена насиченими парами води, спирту чи ефіру. Пари ретельно очищені від пилу, щоб до прольоту частинок у
молекул води не було центрів конденсації. Коли поршень опускається, то за рахунок адіабатичного розширення пари охолоджуються і стають перенасиченими. Заряджена частинка, проходячи крізь камеру,
залишає на своєму шляху ланцюжок іонів. Пара конденсується на іони, роблячи видимим слід частинки.
Камера Вільсона зіграла величезну роль у вивченні будови речовини. Протягом декількох десятиліть вона залишалася практично єдиним інструментом для візуального дослідження ядерних випромінювань і дослідження космічних
променів:
Розглянемо рух частинки в поперечному однорідному магнітному полі. Якщо частинка влітає в магнітне поле перпендикулярно до його силових ліній, то на неї діє сила Лоренца , т. к. кут між швидкістю
і напрямком індукції поля в цьому випадку дорівнює 90 градусів. Ця сила перпендикулярна швидкості частинки і тому не здійснює роботи і не змінює кінетичної енергії частинки. З цієї причини величина
швидкості частинки в магнітному полі постійна. Оскільки напрямок руху частинки змінюється, то частка все ж має прискорення, яке є доцентровим, при цьому частинка рухається по колу, площина якої
перпендикулярна силовим лініям магнітного поля. 2-й закон Ньютона запишеться у вигляді:
Історична довідка
Ка́мера Ві́льсона — детектор треків швидких заряджених частинок, в якому використовується здатність іонів виконувати роль зародків водяних крапель у переохолодженій перенасиченій парі.
Для створення переохолодженої пари використовується швидке адіабатичне розширення, що супроводжується різким пониженням температури.
Швидка заряджена частинка, рухаючись крізь хмару перенасиченої пари, йонізує її. Процес конденсації пари відбувається швидше у місцях утворення йонів.
Як наслідок, там, де пролетіла заряджена частинка, утворюється слід із крапельок води, який можна сфотографувати.
Камери Вільсона зазвичай поміщають у магнітне поле, в якому траєкторії заряджених частинок викривляються. Визначення радіусу кривизни траєкторії
дозволяє визначити відношення питомого електричного заряду частинки, а, отже, ідентифікувати її.
Камеру винайшов у 1911 році шотландський фізик Чарльз Вільсон. За винахід камери Вільсон отримав Нобелівську премію з фізики 1927 року.
У 1948 за вдосконалення камери Вільсона і проведені з нею дослідження Нобелівську премію отримав Патрік Блекетт.
В 1930 году Л. В. Мысовский с Р. А. Эйхельбергером проводили опыты с рубидием и в камере Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц.
Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа 87Rb.
В 1932 г. К. Д. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.
В 1934 году Л. В. Мысовский с М. С. Эйгенсоном проводили эксперименты, в которых при помощи камеры Вильсона было доказано присутствие нейтронов в составе космических лучей.
В 1927 году Вильсон получил за своё изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам.
Технічні характеристики
Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненную 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:
Сфера застосування
Камеру Вільсона не застосовують у роботах з міченими атомами, але для ядерної фізики оіа була і залишається одним з основних знарядь дослідження. Застосування її дозволяє вивчати і фотографувати всю картину ядерних перетворень. З її допомогою були зроблені важливі дослідження, що призвели до відкриття позитронів, нейтронів, мезонів і ін останнім часом у багатьох роботах камеру Вільсона замінюють згаданими вище толстослойными фотоэмульсиями. У разі застосування даного методу для визначення молекулярних ваг слід зробити деякі припущення щодо чутливості молекул до випромінювання.Необхідно також знати розподіл іонізації в просторі. Дослідження в камері Вільсона показали, що іонізація локалізується в згустки, близькі до місця первинної іонізації, в середньому по три пари іонів на згусток. З основної теорії та вимірювань іонізації можна отримати більш детальну картину. Таким чином, за загальними даними про випромінюванні можна отримати число іонних згустків / на одиницю об'єму зразка для даної дози опромінення. Якщо чутливий об'єм молекули ферменту дорівнює V, то ймовірність попадання одного згустку в цей обсяг дорівнює VI, а ймовірність того, що ні один згусток не потрапляє в цей обсяг визначається формулою Пуассона Звідси випливає, що, якщо один іонний згусток, що потрапляє в чутливий об'єм, інактивує одну молекулу, частка неушкодженого ферменту визначається виразом
Фото, відео-матеріали
Джерела
- 1 Вакуленко М. О. Тлумачний словник із фізики : {6644 статті} / М. О. Вакуленко, О. В. Вакуленко. — К. : Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2008. — 767 с.
- 2 Мещеряков М. Г., Перфилов Н. А. Памяти Льва Владимировича Мысовского (К семидесятипятилетию со дня рождения) // Выпуск УФН : Сборник УФН. — М., 1963. — Вып. Ноябрь.
- 3 І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук, П.П.Луцик (2006). Загальний курс фізики: Навчальний посібник у 3-х т. Київ: Техніка.
- 4 Wilson's Original Apparatus
- 5 [1]
- 6 [2]
