Принцип работы камеры вильсона кратко: описание, характеристики

Содержание

Принцип — действие — камера — вильсон

Принцип действия камеры Вильсона основан на способности ионов служить центрами конденсации капелек пересыщенного пара. Если пар свободен от пыли и других посторонних объектов, могущих служить очагами конденсации, то конденсация не начинается.

Принцип действия камеры Вильсона основан на способности молекул водяного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вокруг заряженных частиц. Камеру заполняют водяным паром. Заряженные частицы, проходя через камеру, ионизируют на своем пути молекулы газа, на которых при охлаждении камеры конденсируется водяной пар в виде тонких ниточек тумана, показывающих путь частицы. Последние могут быть сфотографированы. На рис. 20 виден путь заряженных частиц; излом пути — результат столкновения а-частицы с атомом азота.

Разобранный пример позволяет понять принцип действия камеры Вильсона. Пролетающая через камеру заряженная частица оставляет на своем пути множество ионов, на которых немедленно происходит конденсация паров и образуются заряженные капли жидкости. Незаряженные капли маленького радиуса быстро бы испарялись. Благодаря тому, что капли заряжены, оставляемый пролетевшей частицей след в камере Вильсона сохраняется продолжительное время.

Принцип действия пузырьковой камеры аналогичен принципу действия камеры Вильсона. Релятивистская частица, проходя через нагретую жидкость, создает на своем пути цепочку ионов. Если резко понизить давление над жидкостью, то она переходит в перегретое состояние. Ионы служат центрами для вскипания. Возникшие пузырьки образуют трек вдоль пути следования частицы. В качестве рабочей жидкости в пузырьковых камерах используются сжиженные водород, пропан или ксенон.

Принцип действия пузырьковой камеры аналогичен принципу действия камеры Вильсона. Релятивистская частица, проходя через нагретую жидкость, создает на своем пути цепочку ионов. Врзпик-шие пузырьки образуют трек вдоль пути следования частицы. В качестве рабочей жидкости в пузырьковых камерах используются сжиженные водород, пропан или ксенон.

Принцип действия пузырьковой камеры аналогичен принципу действия камеры Вильсона. Релятивистская частица, проходя через нагретую жидкость, создает на своем пути цепочку ионов. Если резко понизить давление над жидкостью, то она переходит в перегретое состояние. Ионы служат центрами для вскипания. Возникшие пузырьки образуют трек вдоль пути следования частицы. В качестве рабочей жид-коепг в пузырьковых камерах используются сжиженные водород, пропан или ксенон.

Это объясняет возникновение ливневых дождей при грозах вследствие образования большого числа ионов при электрических разрядах, а также принцип действия камеры Вильсона.

В последние годы для изучения следов движения элементарных частиц широко применяются пузырьковые камеры с перегретыми жидкостями, принцип действия которых близок к принципу действия камеры Вильсона. Если через перегретую жидкость проходит элементарная частица, то на образовавшихся ионах начинают возникать пузырьки пара. Таким образом, след частицы оказывается отмеченным цепочкой паровых пузырьков.

Другим очень важным трековым детектором является изобретенная Глезером ( 1952 г.) пузырьковая камера. Принцип действия пузырьковой камеры сходен с принципом действия камеры Вильсона. Как известно, в камере Вильсона используется свойство пересыщенного пара конденсироваться в виде мельчайших капелек жидкости на пути прохождения заряженной частицы. В пузырьковой камере используется свойство перегретой жидкости образовывать па пути заряженной частицы пузырьки пара.

Диффузионная камера

Во второй половине 1930-х годов американский физик Александр Лангсдорф-младший решил эту проблему. Вместо того чтобы создавать перенасыщенный пар резким снижением давления, он создал в камере постоянный градиент температуры. В области высокой температуры испарялась летучая жидкость, пары диффундировали в область низкой температуры и там непрерывно находились в перенасыщенном состоянии, всегда готовые показать исследователям траектории частиц. Кроме непрерывности работы, диффузионная камера Лангсдорфа имеет еще одно достоинство: ее предельно просто сделать. Она состоит из емкости с прозрачными стенками и нагревателем вверху и/или охладителем внизу. Вверху также располагается ткань, вата или иное пористое хранилище для жидкости. Вот, собственно, и вся конструкция. Именно такую камеру мы решили собрать в редакции «Популярной механики».

4. Далее устанавливаем камеру на алюминиевый лист охладителя и подсвечиваем ее сбоку фонариком. Через несколько минут, когда в коробке установится градиент температур и вблизи дна образуются перенасыщенные пары спирта, можно любоваться медитативным зрелищем треков альфа-частиц — туманных следов, которые рождаются в объеме камеры и плавно опускаются на дно.

Строение

Камера Вильсона в Брукхейвенскoй национальной лаборатории

Обычно, камера Вильсона состоит из цилиндра, содержащего насыщенный паром воздух, и поршня, который может двигаться в этом цилиндре. При опускании поршня воздух резко охлаждается, и камера становится пригодной для работы. В другом, более современном варианте вместо поршня использовалась резиновая диафрагма. В этом случае камера имеет перфорированное дно, под которым расположена диафрагма, в которую закачан воздух под давлением. Тогда для начала работы нужно только выпустить воздух из диафрагмы в атмосферу или специальную ёмкость. Такие камеры дешевле, проще в использовании, а также меньше нагреваются в процессе работы.

Для частиц низких энергий давление воздуха в камере снижают ниже атмосферного, тогда как для фиксации высокоэнергетических частиц, наоборот, воздух в камеру закачивают под давлением в десятки атмосфер. Камеру заполняют паром воды и спирта. Такая смесь используется из-за того, что водяной пар лучше конденсируется на отрицательных ионах, а пары спирта — на положительных ионах.

Время активной работы камеры длится от сотых долей секунды до нескольких секунд, проходящих от расширения воздуха и до тех пор, пока камера не заполнится туманом, после чего камера очищается и может запускаться повторно. Полный цикл использования обычно составляет около минуты. Источник излучения может помещаться внутрь камеры, или находиться извне её. В этом случае частицы попадают в камеру через прозрачный экран.

Физика 11 класс

«График переменного тока» — Ниагарский водопад. Переменный ток. Обобщение знаний. Генератор переменного тока. Тип сопротивления. Формула сопротивлений. Цепи синусоидального тока. Что называется электрическим током. Изобретатель. Какой из графиков на слайде можно назвать гармоническим. Томас Алва Эдисон. Графики зависимости напряжения и силы тока от времени. Работа с графиком. Схема генератора. Никола Тесла. Действующее значение силы тока.

«Звуки вокруг нас» — Звуки, идущие от колеблющихся струн. Белл. Физика вокруг нас. Мы охотно слушаем музыку. Красота формул. Инфразвуки в искусстве. Звуки разных инструментов. Музыкальные инструменты. Ультразвук. Нижняя нота. Музыкальные звуки. Орган. Наинизший из слышимых человеком музыкальных звуков. Пианино. Различие между музыкой и шумом.

«Температура и влажность» — Доступный увлажнитель. Оптимальные и допустимые параметры температуры. Паровые увлажнители воздуха. Таблица оптимальной влажности. Ультразвуковые увлажнители воздуха. Анализ свойств воздушной среды. Сухой воздух и глаза. Психрометр Августа. Измерение влажности в учебных кабинетах. Что такое влажность воздуха. Влажность воздуха. Как изменяется температура в различных кабинетах. Изменение влажности в кабинетах во время учебной деятельности.

««Строение атома» физика 11 класс» — Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте. Почему электроны не могут изменить траекторию частиц. Планетарная модель не позволяет объяснить устоичивость атомов. Планетарная модель атома. Дайте определение фотоэффекта. Первый постулат Бора. P = h. Как корпускулярные, так и волновые свойства. Что такое «красная» граница фотоэффекта. Строение атома. Импульс фотона. Какие серии излучения атома водорода вы знаете.

««Строение атома» 11 класс» — Резерфорд Эрнест. Недостатки атома Резерфорда. Цель. Попыткой спасения планетарной модели атома стали постулаты Нильса Бора. Выводы из опытов. Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Подавляющая часть альфа-частиц проходит сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы. Строение атома. Строение атома по Резерфорду.

«Виды электромагнитных волн» — Спектр электромагнитных волн. Рентгеновское излучение. Инфракрасное излучение. Применение видимого света. Применение низкочастотного излучения. Низкочастотные волны. Радиоволны. Применение гамма-излучения. Применение ультрафиолетового излучения. Виды электромагнитных волн. Ультрафиолетовое излучение. Сверхвысокочастотные излучения. Применение инфракрасного излучения. Видимый свет. Применение СВЧ излучения.

«Физика 11 класс»

Использование

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.

Удельная ионизация

Удельной ионизацией называют количество пар ионов, создаваемых частицей при пролёте через вещество на единицу расстояния. При этом, электроны, выбиваемые из атомов, могут иметь достаточную энергию для того, чтобы ионизировать другие атомы. Это явление называют вторичной ионизацией. В камере Вильсона такие электроны будут выглядеть как ответвление от основной траектории полета частицы, или же просто как сгустки пара (если энергия электронов не очень большая). В то время как подсчитать удельную ионизацию можно многими способами (например, с помощью счетчика Гейгера), для разделения первичной и вторичной ионизации камера Вильсона является наиболее простым методом.

Пробег

Длина пробега частицы в веществе является важным показателем, и должна быть известной для защиты от излучения. Камера Вильсона позволяет измерять как средний пробег, так и распределение пробегов. С помощью этих данных можно достаточно точно определить как энергию частицы, так и толщину защитного слоя, который блокирует этот тип излучения.

Строение прибора

Туманной камерой, или как иначе называют камерой Вильсона, принято считать не большую по размеру емкость с крышкой, изготовленной из такого материала, как стекло, в самом низу камеры располагается поршень.

Наполнение прибора происходит вследствие впуска насыщенных паров эфира, спирта, либо обычной воды, они предварительно очищаются от пыли, в нее: это необходимо для того, чтобы частицы, пролетая, не задерживались центрами конденсации, находящихся в молекулах воды.

После заполнения камеры парами поршень опускается, далее вследствие возникновения адиабатического расширения происходит стремительное охлаждение паров, которые становятся перенасыщенными. Заряженные частицы, проходя по всей емкости камеры, оставляют за собой след из ионных цепочек. Пар в свою очередь, конденсируясь на ионах, оставляет треки – следы частиц.

Устройство работы

Камера Вильсона

В 1912 году Чарльз Вильсон, исследовавший до этого далекие от ядерной физики процессы образования туманов и дождей, сконструировал камеру, за которую в 1927 году получил Нобелевскую премию. В ней резкое движение поршня на доли секунды создавало перенасыщенный пар какой-либо летучей жидкости. Перенасыщенный пар неустойчив, малейшие возмущения заставляют его сконденсироваться в капли. Пролетающие через объем камеры альфа- и бета-частицы оставляют за собой след ионов воздуха, который немедленно вызывает конденсацию жидкости, создавая видимый невооруженным глазом трек (след), в точности повторяющий траекторию частицы. По длине и толщине трека можно судить об энергии, скорости и массе частицы. Толстые треки остаются за тяжелыми медленными частицами, а легкие и быстрые дают тонкий, едва заметный след.

2. К верхней крышке обычным канцелярским скотчем или суперклеем крепится марлевый жгут с ватой внутри, пропитанный спиртом (этиловым или изопропиловым). Дно заклеивается черной изолентой, чтобы белые треки частиц были лучше видны (можно покрасить дно черной матовой краской или приклеить лист черной бумаги). В качестве источника частиц мы взяли сварочный электрод марки WT-20, состоящий из вольфрама с добавкой 2% тория (несмотря на радиоактивный торий, электроды безопасны, если их не глотать).

Камера Вильсона, особенно помещенная по предложению советских физиков Петра Капицы и Дмитрия Скобельцына в сильное магнитное поле, оказалась феноменально эффективным инструментом, позволившим сделать множество открытий — в частности, обнаружить позитроны и мюоны. Однако она имела серьезный недостаток — находилась в чувствительном к частицам состоянии в лучшем случае секунды. Это делало ее совершенно непригодной для исследования редких случайных событий.

3. Конструкция охладителя тоже предельно проста: в пластиковый пищевой контейнер насыпаются гранулы сухого льда, сверху кладется миллиметровый лист алюминия, позволяющий сделать охлаждение максимально равномерным.

Принцип работы прибора

Вследствие того что в исследуемом пространстве периодически происходит перенасыщение парами разнообразных центров конденсации (ионами, сопровождающими след стремительно перемещающейся частицы), на них происходит появление небольших по размеру капель жидкости. Объем этих капель со временем увеличивается, вместе с этим представляется возможность их зафиксировать, делают это при помощи их фотографирования.

Источник исследуемого материала находится либо в пределах камеры, либо же непосредственно за ее пределами. В том случае, когда он будет находиться вне емкости камеры, частицы в нее могут залетать в небольшое прозрачное окно, расположенное на ней. Чувствительность прибора по отношению к временному отрезку может изменяться от 0,01 доли секунды до 2-х – 3-х секунд, это время необходимо для нужного перенасыщения ионной конденсации.

Следом следует сразу же почистить рабочий объем камеры, это делается для восстановления ее чувствительности. Камера Вильсона работает только лишь в циклическом режиме. Один полный цикл примерно равен минуте.

Перемещение туманной камеры в магнитное поле может вызвать увеличение ее личных возможностей в несколько раз. Это связано с тем, что подобная среда способна искривлять траекторию полета заряженных частиц, что в свою очередь и определяет их импульс вместе со знаком заряда.

Другие детекторы частиц

Пузырьковая камера была изобретена Donald A. Glaser Соединенных Штатов в 1952 году, и за это он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1960 г. пузырьковой камеры аналогично показывает следы элементарных частиц, но и как следы пузырьков в перегретая жидкость, обычно жидкий водород . Пузырьковые камеры могут быть физически больше, чем камеры Вильсона, и, поскольку они заполнены гораздо более плотным жидким материалом, они обнаруживают следы гораздо более энергичных частиц. Эти факторы быстро сделали пузырьковую камеру преобладающим детектором частиц на несколько десятилетий, так что к началу 60-х годов прошлого века камеры Вильсона практически вытеснили фундаментальные исследования.

Искровая камера представляет собой электрическое устройство , которое использует сетку из неизолированных электрических проводов в камере с высоким напряжением , приложенным между проводами. Энергичные заряженные частицы вызывают ионизацию газа на пути частицы так же, как и в камере Вильсона, но в этом случае окружающие электрические поля достаточно высоки, чтобы вызвать полномасштабный пробой газа в виде искр на положение начальной ионизации. Присутствие и расположение этих искр затем регистрируется электрически, и информация сохраняется для последующего анализа, например, с помощью цифрового компьютера .

Подобные эффекты конденсации можно наблюдать в виде облаков Вильсона , также называемых облаками конденсации, при больших взрывах во влажном воздухе и других эффектах сингулярности Прандтля – Глауэрта .

Пузырьковая камера

В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара (рис. 13.4). В качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика — около 0,1 с.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере — один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.

Принцип работы облачной камеры

По сути, устройство допускает косвенное наблюдение за излучением радиации в границах окружающей среды. Своё название облачной камеры Вильсона конструкция получила в честь её изобретателя — шотландского физика Чарльза Томсона Риза Вильсона.

Исследования начала 20 века, проведённые с участием облачной камеры Вильсона, завершились открытием элементарных частиц:

Позитрона
Нейтрона
Мюона
Каона (К-мезона)

Существуют различные виды облачных камер. Прибор диффузионного типа в домашних условиях изготовить проще, чем другие виды. Конструкция диффузионного типа содержит герметичный контейнер, верхняя область которого нагревается, а нижняя охлаждается.

Прибор Вильсона в оригинальном конструктивном исполнении. Совсем несложная конструкция, но сколько чудных открытий свершилось благодаря этому аппарату

Облако внутри контейнера формируется из спиртового пара (метанола, изопропилового спирта и т.п.). Нагретая верхняя область камеры создаёт условия для испарения спирта.

Образовавшийся пар охлаждается, опускается вниз и конденсируется, оказавшись в холодной донной области контейнера.

Объем пространства между вершиной и дном контейнера заполнен облаком пересыщенного пара. Когда энергетическая заряженная частица (излучение) проходит сквозь пар, эта частица неизбежно оставляет ионизационный след.

Молекулы спирта и воды обладают свойствами полярных элементов, поэтому притягиваются к ионизованным частицам.

Когда в области пересыщенного пара молекулы спирта и воды сближаются с ионами, образуется капельный конденсат. Путь прохождения конденсата остаётся видимым до источника излучения.

Презентация на тему: » Камера Вильсона. Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарльзом Вильсоном.» — Транскрипт:

Камера Вильсона. Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарльзом Вильсоном 1912 г. Чарльзом Вильсоном1912Чарльзом Вильсоном1912 Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей

Схема устройства камеры Вильсона.

Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О. Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О.

Вильсон установил! Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что — то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что — то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги.

Для регистрации альфа- и бета-частиц используют камеру Вильсона. Камера Вильсона — цилиндр со стеклянными боковыми стенками и крышкой, в котором перемещается поршень. Впускаемые в камеру через тонкое окошко частицы на своем пути ионизируют воздух. Образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и образованный на ионах по пути движения частиц туман от капелек сконденсированного пара позволяет при достаточно сильном освещении сфотографировать траектории частиц.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам

Принцип работы камеры вильсона кратко