КАМЕРА ВИЛЬСОНА. Успехи в конструировании счет­чиков заряженных частиц поставили перед учеными такую задачу: попытаться каким-либо способом «увидеть» частицы, составляющие атом, несмотря на то, что они в миллиарды раз меньше самых маленьких тел, которые можно разгля­деть в самые мощные оптические микроскопы?
Обычно, когда что-либо плохо видно или что-то мешает видеть, говорят, что «все как ъ тумане» или «все затуманилось». Однако в некоторых случаях, по крайней мере в области физики, «туман» позволяет невидимое превращать в видимое. Это несколько неожиданное обстоятельство связано с вопро­сами: почему и каким образом на ясном небе собираются об­лака и тучи, почему выпадает дождь?
В воздухе, каким бы он ни был сухим и прозрачным, всег­да содержится некоторое количество влаги, непрерывно испа­ряемой морями, озерами, реками, растениями и почвой. Эти водяные нары не заметны, так как отдельные молекулы пара распределены в воздухе равномерно и не изменяют его одно­родности, как не видны растворенные в воде молекулы соли.
Однако если атмосферное давление по каким-либо причи­нам понижается, то содержащийся в воздухе пар становится пересыщенным. Вот тогда отдельные молекулы влаги соеди­няются сначала в мелкие капельки, образующие «пар» и облака, а затем в более крупные капли, которые выпадают в виде дождя.
Но влага может собираться в капли только в том случае, если в воздухе содержатся в достаточном количестве мелкие пылинки, особенно если они несут электрические заряды. Они-то и являются центрами конденсации влаги. Иначе моле-
кулы пара не могут соединяться в капли даже при большом избытке влаги в атмосфере.
В 1912 г. английский физик Чарльз Вильсон, много ра­ботавший до этого над вопросами происхождения дождей и туманов, предложил очень остроумный и удивительно простой способ «видеть» заряженные частицы. Для этого лишь необ­ходимо в наполненной перенасыщенным паром камере вы­звать нечто вроде искусственного тумана. Пролетающие сквозь камеру заряженные частицы ионизируют молекулы пара, и образующиеся в результате этого ионы служат цен­трами конденсации водяного пара. Из капелек жидкости получаются цепочки (треки).
Камера состоит из стеклянного цилиндра с подвижным поршнем, заменяющим дно, и заполнена парами испаряю­щейся жидкости, например спирта. Если очень быстро опус­тить поршень, то давление, а следовательно, и темпера­тура пара в камере резко понизятся, вследствие чего в ней об­разуется избыток влаги, т. е. переохлажденный и перенасы­щенный пар. Так как впускаемые внутрь камеры пары тща­тельно очищены от пыли и других взвешенных частиц, то молекулам влаги не на чем собираться и никакого тумана внутри камеры не появится.
Однако если в этот критический момент сквозь камеру пролетит какая-либо заряженная частица, даже очень быст­рая, то на своем пути она, как обычно, будет непрерывно разбивать молекулу пара на ионы, т. е. порождать заряженные частицы, которые тут же станут центрами конденсации пара. След частицы мгновенно покроется великим множеством капелек влаги, мгновенно осевших на ионах, и станут вид­ны более или менее четкие и тонкие линии треков, распад которых на отдельные капельки можно заметить только под сильным микроскопом. Особенно хорошо эти следы видны, если их сильно осветить, а внутри камеру и поршень покрыть черной матовой краской. Если одновременно опу­стить поршень и осветить камеру яркой вспышкой света, сле­ды пролетевших частиц можно легко фотографировать. Камера Вильсона позволяет не только видеть следы пролетаю­щих частиц, но и определять некоторые качественные харак­теристики этих частиц. Например, по толщине и чистоте сле­да можно узнать, медленно или быстро летит заряженная частица: чем медленнее она летит, тем больше молекул газа она успевает ионизировать на каждом сантиметре своего пути. Измеряя ширину или плотность следов, можно доволь­но точно определить и скорость исследуемых неизвестных частиц. По числу капелек в следе, если он кончается в пре­делах камеры, можно найти полное число пар ионов, образо­ванных пролетевшей исследуемой заряженной частицей. А зная энергию, необходимую для образования одной пары ионов, можно вычислить и полную энергию, которую имела частица в момент ее появления в камере.
Позднее камера Вильсона была значительно усовершен­ствована. Особенно ценный вклад в ее конструкцию внесли советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын, пред­ложившие в 1927 г. помещать камеру в сильное магнитное поле. Взаимодействуя с заряженными частицами, магнитное поле заставляет их искривлять свой путь, благодаря чему можно, во-первых, определить заряд частицы — положитель­но или отрицательно она заряжена, во-вторых, еще одним способом определить энергию частицы, так как чем быстрее она движется или чем больше ее масса, тем меньше изгибает­ся ее путь в магнитном поле. И наконец, что самое главное, можно исследовать все явления, наблюдаемые при столкно­вении этих частиц с атомами паров, заполняющих камеру, или атомами мишеней из различных веществ, устанавливае­мых на пути движения частиц. В этих случаях можно изучать поведение даже частиц, не несущих электрического заряда, — по следам разлетающихся в результате таких столкновений заряженных частиц.