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早期的核辐射探测器,了解一下

发表时间: 2018-07-20

   早期的核辐射探测器,了解一下

  云雾室也称云室(cloud chamber)是一种早期的核辐射探测器。也是早的带电粒子径迹探测器。因发明者为英国物理学家威尔逊,一般称为威尔逊云室。威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson,1869-1959),1894年起研究云雾中的光学现象。1895年,他设计了一套设备,使水蒸气冷凝来形成云雾。当时普遍认为,要使水蒸气凝结,每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。威尔逊发现:潮湿而无尘的空气膨胀时出现水滴。他认为这可能是水蒸气以大气中导电离子为核心而凝聚的结果。

  

 

  威尔逊云室

  1896年他用当时新发现的X射线照射云室中的气体,观察到X射线穿过之处空气被电离,带电离子会形成细微的水滴,显示出X射线的运动轨迹,威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备,使它成为研究射线的重要仪器。1911年他首先用云室观察到并照相记录了α和β粒子的径迹。

  

 

  师从著名物理学家卢瑟福的物理学家布莱克特(Patrick M. S. Blackett,1897-1974)将威尔逊云室用于核物理及宇宙射线研究。他从1921年起在剑桥大学卡文迪什实验室工作多年。1924年他用云室照片首次成功地验证了人工轻核转变,即氦-14核俘获α粒子变为氧-17。初的云室不管出现的粒子轨迹是否有意义随时进行记录。

  

 

  1923年,美国物理学家康普顿利用威尔逊发明的云雾室成功得观察到了光子与电子碰撞。

  1925年布莱克特对威尔逊云室作了重要改进,将盖革计数器与云室联合运用,云室的记录改由其上方的盖革计数器检测到粒子而启动,几乎每张得到的照片都包含着引人入胜的事物,为云室在近代物理研究中的应用翻开了崭新的一页。云室实验很快表明,电子携带的能量高达10亿电子伏,比以往所知来自放射性的电子的能量要大1000倍。布莱克特改进威尔逊云室方法及在核物理和宇宙线领域的发现,使他获得了1948年诺贝尔物理学奖。

  1928年以后,这一技术在全世界各有关实验室得到推广,取得了重要的成就。由于威尔逊在云室方面的贡献,他获得了1927年诺贝尔物理学奖。

  

 

  1932年,安德森与内德梅(Seth Neddermeyer,1907-1988)将云室置入一个强磁场之中观察宇宙射线。宇宙射线进入云室后会留下轨迹,拍下轨迹的照片,即可用来进行分析。安德森当时每隔15秒钟使云室膨胀一次并拍摄照片。通过对1300张粒子轨迹照片的详细分析,发现有一种粒子的轨迹与当时已知的带电粒子的轨迹不一样。根据轨迹偏转的方向,可以判断这种粒子的电荷是正的,又根据轨迹曲率的大小,可推知这种粒子要比质子轻得多,且与电子的质量近乎相等。

  安德森后来了解了狄拉克理论后才恍然大悟,他们所发现的上述粒子正是英国物理学家狄拉克(Paul A.M.Dirac,1902-1984)预言过的“反”粒子。正电子的发现是物理学发展史上的又一座里程碑。它说明了理论在认识末来世界中所起的巨大作用;更重要的这是人类第一次从实验上发现了反物质,是人类对物质世界认识的一大飞跃,也为物理学家探寻新的粒子指明了新的方向。由于安德森的这一重大发现,他获得了1936年的诺贝尔物理学奖。在安德森发现正电子后的短短几个月,布莱克特用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片也有力地证实了正电子的存在。

  中国物理学家王淦昌(1907-1998)1930年在德国柏林大学威廉皇帝化学研究所读研究生时,了解到玻特(W.Bothe,1891-1957)用α粒子轰击铍核产生了强贯穿辐射,玻特将它解释为γ辐射。王淦昌对此有所怀疑,曾两次向导师迈特纳(L.Meitner,1878-1968)建议用云雾室做探测器重复玻特的实验,可比玻特用计数器的实验更能弄清发现的贯穿辐射的真正性质,但未被迈特纳采纳。

  1932年,英国物理学家查德威克(James Chadwick,1891-1974)采用电离室、计数器和云雾室实验,证实玻特的贯穿辐射不是γ射线,而是一种以前尚未发现的、与氢核(质子)的质量差不多的、但不带电的中性粒子。这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子,即中子。中子的发现,不仅改变了当时人们的物质结构的概念,同时还为研究和变革原子核提供了一种有力的手段,促进了核裂变研究工作的发展和原子能的利用。由于这一重要的发现,查德威克获得了1935年诺贝尔奖物理学奖。

  1935年日本理论家汤川秀树(Hideki Yukawa,1907-1981)预言存在一种质量处于电子与质子之间的粒子。1937年内德梅耶和安德森在宇宙射线云室实验中检验出一种粒子的质量约为200个电子的质量。物理学家普遍认为,这种粒子就是汤川秀树预言过的那种粒子,取名介子。实际上核力理论所需要的粒子是直到数年以后才发现的π介子。当时云室发现的这种粒子被重新命名为μ介子,后简称为μ子,现在μ子已不再划归介子类。

  云室技术曾有过多方面的应用,在探测器历史上有过它的辉煌,20世纪30年代初期是使用云室的全盛时期,不少学者创造性地利用云室取得了许多重要成果。直到发明了更灵敏的径迹探测器后,云室技术仍然偶尔使用。

  中国物理学家霍秉权(1903-1988)1931年进入剑桥大学研究院,他被导师威尔逊发明的“威尔逊云室”所深深吸引。但霍秉权发现这个闻名世界的“云室”并不完善,上下跳动的滚筒不容易掌握,影响了“云室”的功效。他多次进行实验,后用橡皮膜代替原来的铜活塞用橡皮膜代替原来的活塞,密封性好,膨胀速度快,并减小了畸变现象,大大提高了云室的功效,威尔逊亲自著文在英国皇家学会介绍这一成就。

  1935年2月,霍秉权应清华大学物理系教授赵忠尧之邀到清华大学任教,在教课的同时致力于科学研究。他自制成小“云室”,并在此基础上做成了“双云室”用以观察宇宙射线。这种“双云室”观察宇宙射线径迹清晰,性能良好,这一创造得到国际著名物理学家玻尔和威尔逊的充分肯定。受战争影响,他随校迁到昆明后仍然致力于制作“大云室”,研究宇宙射线。

  中国物理学家张文裕(1910-1992)1946年在美国设计建造了一个自动控制、选择和记录宇宙线稀有事例的云室,研究宇宙线中μ子与物质的相互作用。实验证明,μ子被核吸收之后,没有放出α粒子,也就是说,不存在引起爆炸的“星裂”径迹,从而证明μ子是非强相互作用粒子,否定了关于介子武器的谣传。在进一步的研究中,他发现了μ介原子,后者在国际上被称作“张辐射”。

  1956年张文裕回国后,提议在云南高山站增建一个大云室组研究高能宇宙线粒子引起的高能核作用。他利用从国外带回的建造云室用的高级平面玻璃和一些实验工具,建成了包括三个云室的大云室组,中间一个加有磁场,成为当时国际上规模大的云室组。大云室组发现了一个质量可能10倍于质子质量的重粒子,并在此项工作中为国家培养了一批宇宙线研究人才。

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