Камера Вильсона (она же туманная камера) — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне её (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).
Туманная камера (камера Вильсона) - уникальное устройство, для регистрации треков (следов) заряженных частиц.0:16
Немного истории
Камеру изобрел в 1912 году шотландский физик Чарльз Вильсон. За изобретение камеры Вильсон получил Нобелевскую премию по физике 1927 года. В 1948 за совершенствование камеры Вильсона и проведенные с ней исследования Нобелевскую премию получил Патрик Блэкетт.
Значение камеры Вильсона для физики элементарных частиц трудно переоценить — в течение десятков лет она была единственным эффективным способом непосредственно наблюдать треки элементарных частиц. С её помощью были открыты позитрон и мюон, а также исследованы ядерные реакции альфа-частиц с атомами азота. После изобретения пузырьковой и искровой камеры значение камеры Вильсона начало уменьшаться, однако, из-за значительно меньшей стоимости по сравнению с более прогрессивными детекторами, она всё ещё используется в некоторых отраслях.
Камера Вильсона в домашних условиях
Конечно, вряд ли кто-то задумывается, что нас постоянно бомбардируют крохотные частицы, движущиеся со скоростью света. И тем более нереальной кажется возможность увидеть свидетельство их существования в домашних условиях, так же как на видео выше. Но если все-таки хотите увидеть следы таких частиц собственными глазами – продолжайте читать эту публикацию.
Этап №1. Подготовительный
И так, что нам понадобится для сборки собственной туманной камеры:
Материалы:
- Пенопласт (в магазине можно сразу его нарезать на куски нужного размера);
- Аквариум;
- Лист металла (как подложка в будущем коробе);
- Чёрный пластилин;
- Чёрная плотная бумага;
- Чёрная изолента;
- Клей;
- Шкурка;
- Фонарик или проектор для слайдов (нужен чёткий и яркий луч света);
- Сухой лёд (для охлаждения основания камеры);
- Изопропиловый спирт концентрации 91% или более (70% не подойдёт!!!);
- Вода.
Инструменты:
- Нож;
- Шпатель (помогал себе при отрезании пенопласта);
- Линейка;
- Маркер;
- Термопластичный клей;
- Магниты.
Этап №2: конструируем изолированную коробку для сухого льда
Коротко говоря, необходимо сделать теплоизолирующий короб, который затем будет необходимо наполнить сухим льдом. Он должен быть достаточно большим, чтобы в нём плотно сидела металлическая пластина. Собственно говоря, поскольку пенопласт резать проще чем металл, чтобы пластина села плотно, проще всего взять подходящий лист металла и использовать его как трафарет для вырезания будущей коробки из пенопласта. Как только все будет готово, зашкуриваем пенопласт и склеиваем всё вместе. При резке пенопласта удобно использовать строительный нож, нет ножа можно ппробовать проточить его шпателем. Поскольку всё равно края пенопласта потом зашкуривать, «ровность краев» в результат такой резки не сильно принципиальна
Этап №3: подготовка металлического основания
Металлическая пластина кладётся сверху на сухой лёд для теплопередачи между ним и камерой. Самое важное – пластину с аквариумом необходимо соединять герметично. Это позволяет поддерживать высокую концентрацию спирта в камере и получать перенасыщенный пар. Для этого можно заполнить желобок по краю аквариума водой или лишним спиртом. А чтобы сделать желобок, как раз пригодится пластилин — сделайте из него две дорожки на металлической плите. Потом, чтобы белые следы частиц в парах контрастировали с нижней частью камеры, нужно наклеить на металлическую пластину чёрный экран (например черную бумагу). Благодаря ей следы в в испарениях будут видны гораздо лучше.
Этап №4: подготовка аквариума
На дно аквариума (которое, как видно на картинке. на самом деле вверху) крепим отрезок фетра. Сначала это было сделано при помощи термоклея, однако, как можно увидеть на фото, после впитывания спирта он провис (видите этот «бугор» справа). Чтобы это исправить, пришлось использовать набор магнитов (вот где они пригодились), которые гораздо лучше прижали фетр ко дну аквариума. Фетр используется для впитывания спирта, и его можно заменить любой другой губкой или впитывающей тканью.
Этап №5: финальная сборка и испытания
И вот коробка для сухого льда, металлическое основание и аквариум готовы к работе!
Сначала нужно наполнить пенопластовую коробку сухим льдом, а потом сверху плотно прижать его металлическим листом. Он, вероятно, поначалу заскрипит во время быстрого охлаждения, но это должно быстро прекратиться.
Затем налейте на фетр, прикрепленный ко дну аквариума, спирт, пока он весь не станет мокрым и как следует впитает спирт, а затем поместите аквариум вверх ногами на металлический лист по периметру пластилинового бортика. Залейте воды или спирта в канал между пластилиновым желобом и стенками аквариума — жидкость заполнит канал между пластилиновыми бортикам, и обеспечит необходимую герметичность камеры.
Теперь погасите в комнате свет и подсветите камеру источником света. Для большего контраста, плотной чёрной бумагой можно закрыть и противоположную от наблюдения, стенку аквариума. Почти сразу же вы должны увидеть, как пары спирта от фетра начнут опускаться вниз, и примерно через 10 минут из него сформируется перенасыщенный пар. И после этого ближе к нижней части камеры там где находится охлажденный лист железа на фоне черных листов бумаги теоретически вы должны будете увидеть следы, оставляемые заряженными частицами в охлажденных парах спирта.
Происходит вот что: при пролёте заряженных частиц через камеру они ионизирует молекулы воздуха, а спиртовой пар оказывается таким насыщенным, что конденсируется на этих следах ионизированных молекул. Именно так камера позволяет нам «видеть» частицы, движущиеся почти со скоростью света.