Камера Вильсона

Исторически первыми трековыми камерами были камеры Вильсона. След заряженной частицы в пространстве, заполненном переохлажденным паром, проявлялся цепочкой капелек тумана. Рассмотрим механизм образования следа.

Давление равновесного пара над жидкостью является однозначной функцией температуры. Однако при отсутствии межфазной границы и при отсутствии центров конденсации давление насыщенного пара можно повысить и конденсация не произойдет. Например, если в сосуде с гладкими стенками находится насыщенный пар, то при небольшом понижении температуры конденсация может не произойти. Пар будет находиться в пересыщенном (переохлажденном) состоянии.

Вопрос 1. Объясните, почему при отсутствии центров конденсации вещество может не переходить из пара в жидкость.

При появлении в пересыщенном паре центров парообразования начинается лавинообразная конденсация. На этом физическом явлении основан принцип действия туманной камеры (камеры Вильсона). В сосуде с поршнем приготавливается насыщенный пар какой-либо жидкости. Затем поршень быстро выдвигают, уменьшая давление. При адиабатическом расширении температура понижается в большей степени, чем концентрация пара, поэтому пар в сосуде оказывается в пересыщенном состоянии. Если сквозь пар пролетает заряженная частица, ионизирующая его, вдоль ее следа остаются ионы. Окружающие ион нейтральные молекулы поляризуются и притягиваются к иону. Вокруг каждого иона возникают молекулярные комки, которые являются центрами конденсации. Пар конденсируется в капельки, расположенные вдоль ионного следа частицы.

П.Л.Капица и Д.В.Скобельцын предложили помещать камеру в магнитное поле. Это позволило по искривлению траектории трека частицы определять ее импульс. Вместе со знанием энергии частицы математическая обработка формы следов дает значение инвариантной массы.

Недостатком камеры Вильсона является малая плотность рабочего вещества и поэтому малая концентрация получающихся ионов. Только частицы с малой энергией тормозятся в камере до остановки.

Опыт 1. Пронаблюдайте действие демонстрационной камеры Вильсона с препаратом радиоактивного изотопа 40K и объясните ее работу. Обратите внимание на длины треков частиц.