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气泡室
2010-04-16 | 浏览次数:|【

鲍威尔的核乳胶技术和威尔逊的云雾室在检测低能粒子时很有用,但要探测和确定一些高能粒子,在技术上就要要求能在比威尔逊云室更快和更长的路径上做出记录,同时还要克服鲍威尔核乳胶技术中无法把中性粒子与事件准确联系起来的困难。

  

1910年,威尔逊通过显示在饱和蒸汽中运动的带电粒子周围的雾气,揭示了这些粒子的径迹。云雾室突然膨胀时,使蒸汽过饱和,液体就凝聚在带电粒子在其运动路径上所留下的离子的周围。在强烈的侧射光照射下就可看到这种雾,就象大家看到的在高空飞行的飞机留下的蒸气尾迹一样。威尔逊云雾室有着光辉的历史,尤其是它曾显示了第一个人工蜕变的径迹,中子引起的反冲质子的径迹,正电子和簇射的径迹等等。云雾室气体密度低是很大的缺陷,即单位体积中含有的物质非常少。

  

 
 格拉塞和他的泡室

1952年,美国物理学家格拉塞(Donald Arthur Glaser,1926-)为如何探测高能粒子的运动径迹而冥思苦想,他往酒杯里倒啤酒时被啤酒中冒着的气泡吸引,如果扔到杯中一个小粒子,气泡会追随正在粒子的运动轨迹而形成。他由此受到启发,用液体来取代威尔逊云雾室中的气体,可使密度大约增加上千倍。他用了一种处于沸点温度的液体,再使压力突然降低,从而使液体处于其沸点以上的温度,观察在离子运动路径上形成的气泡。他制成了世界上第一台泡室,在乙醚液中显示了宇宙射线粒子的径迹。在他成功地观察到第一批径迹后,他又用不同的液体进行试验。这以后泡室开始用于高能物理研究,泡室技术得到不断发展。气泡室的发明是格拉塞对高能物理学做出的杰出贡献,它为粒子物理研究开拓了新的领域,在原子核科学技术史上也是一个创举。他因此获得了1960年诺贝尔物理学奖。

  

气泡室是一种装有透明液体(如液体氢、氦、丙烷、戌烷等)的耐高压容器。它是利用在特定温度下通过突然减压使某种工作液体在短时间内(一般为50毫秒)处于过热的亚稳状态而不马上沸腾,这时若有高能带电粒子通过就会发生局部沸腾,并在粒子经过的地方产生大量的气泡,从而显示出粒子的径迹。根据径迹的长短、浓淡等数据,便能清楚地分辨出粒子的种类和性质。然后气泡室又恢复至高压状态,气泡马上消失,这样气泡室可以连续使用。气泡室容积大小从数毫升到100升,所用液体为液氢、淮氙、乙醚、丙烷等;气泡室的压力从1个大气压到几十个大气压。气泡室因密度大、循环快,所搜集到的各种信息大约是云雾室的1000倍。

  

气泡室最有用的液体是液态氢,因为氢是已知的最简单的原子。每一个氢原子含有一个原子核(它只由一个质子构成),还有一个孤零零的电子绕着原子核旋转。因此,液态氢是只由一些孤立的质子和电子构成的。在液态氢中发生的亚原子事件就特别简单,很容易从气泡所组成的径迹辨认出来,而所有其他液体的原子核,都由几个质子和几个中子组成。

  

物理学家可以从粒子的径迹中了解许多情况,如气泡室放在强磁体的两个磁极之间,效果更好(下图)。那些能够留下气泡径迹的粒子总是带电的——带正电或带负电。如果它们带的是正电,那么,在磁体的影响下,它们的路径就会朝一个方向弯曲;如果它们带负电,它们的路径就朝相反的方向弯曲;从它们路径弯曲的程度可以确定它们的运动速率,再加上径迹的粗细等因素就能确定粒子的质量。当一个粒子衰变成两个以上的粒子时它的径迹就会分叉,在粒子发生碰撞的情况下径迹也会分叉。在一张特定的气泡室照片中,会出现大量径迹。有粒子相遇的、分开的,还有分叉的。有时在一个径迹图形的几个部分之间还有些空白,这些空白就要用某种不带电的粒子来说明,因为不带电粒子在气泡室中运动时不会留下可见的径迹。物理学家从各种径迹的复杂组合中可以辨认出所碰到的粒子类型,或者发现某种新的粒子。

  

阿耳瓦雷茨(Luis Walter Alvarez,1911-1988)与他的老师康普顿(Arthur Holy Compton,1892~1962)在芝加哥从事宇宙射线的研究中取得了一些重要成果。格拉塞发明气泡室时,阿耳瓦雷茨很感兴趣,决定建造一个规模空前的注满液态氢的气泡室。这是一个很大的技术计划,阿耳瓦雷茨组织了一大批各个领域的技术专家,建造了一系列的气泡室,其大小不断增加,最大的达72英寸。格拉塞最初的气泡室直径只有几厘米,阿耳瓦雷茨最初的气泡室为500立升,以后的气泡室却逐渐成了庞然大物,有的甚至直径达到几米,能够容纳以立方米计的液体。现在最大的气泡室直径达几米,装有上万立升的液态氢。

 

阿耳瓦雷茨和他的气泡室

 

阿耳瓦雷茨1959年建成的72英寸气泡室

 

建于上世纪70年代的、直径3.7米、高4米的欧洲大气泡室BEBC

  

气泡室技术复杂,造价和加速器差不多,是当时研究基本粒子的最有效的工具之一。为了充分利用它们的功能,必须用半自动方式扫描成百万张照片,扫描装置的输出送至计算机中进行分析。实现这项任务的计算机程序设计是建立该系统中的一项困难工作。将气泡室和计算机连接起来能得到丰富的实验资料,大型实验室中取得的胶卷可分送世界各地的用户反复研究,以期从这些原始材料中得到一些结果。由于阿尔瓦雷斯发展了氢泡室技术和数据分析方法,他获得了1968年诺贝尔物理奖。

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1953年,费米(Enrico Fermi,1901-1954)与同事在美国芝加哥大学的同步回旋加速器上做实验时发现了质子—介子系统中的第一个共振态。气泡室技术的发明,使物理学家有可能发现更多的共振态,大大促进了粒子物理学的发展,人们首先在质子—反质子的湮没中发现了一些共振(左图),后来在各种反应中出现了几十个、几百个共振。上个世纪60年代,物理学家们一直在忙于寻找共振,直到今天,这项工作仍在进行。(左图中 一对中性Λ粒子和反Λ粒子在氢泡室中产生和衰变的照片。图右面的Λ衰变成一个质子(p)和一个负π介子(π-)。左边的反Λ衰变成一个反质子(p-)和一个π介子(π+)。反质子击中液态氢中的一个质子时,反质子就湮灭成四个π介子)

  

  (新葡萄娱乐在线网站科技处制作 资料来自科学普及出版社、三思科学、科技之光等)


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