От вершины Бен-Невис до камеры Вильсона

Путь, приведший к этой фотографии частиц, испускаемых радиоактивным образцом радия, сегодня кажется почти невероятным. В сентябре 1894 г. Чарлз Томсон Рис Вильсон проводил отпуск на снежных склонах вершины Бен-Невис в Шотландии. Восхищаясь игрой солнечного света на облаках, он решил во что бы то ни стало воспроизвести эти оптические явления в лабораторных условиях.

На протяжении следующих двух лет Вильсон сконструировал камеру, в которой конденсация пара (образование "тумана") осуществлялась путем расширения перенасыщенного влагой воздуха. Вскоре он обнаружил, что в отсутствие частиц пыли увеличение объема на четверть не приводит к конденсации, хотя при большем расширении образуется густой "туман". Исследуя эффекты, создаваемые в камере незадолго до этого открытыми рентгеновскими лучами, Вильсон натолкнулся на еще более загадочное явление: рентгеновские лучи, проходя через камеру после того, как объем ее увеличивался на четверть исходного, активно вызывали конденсацию водяных капель.

Складывалось впечатление, что заряженные частицы, образовавшиеся в камере под действием рентгеновских лучей, служили центрами конденсации паров воды из перенасыщенного влагой воздуха. -Вильсон понял, что совершенно неожиданно для самого себя сконтруировал детектор заряженных частиц. Последующие пятнадцать лет он посвятил его усовершенствованию. В начале 1911 г. Вильсон испытал свою "туманную камеру" не только на рентгеновских лучах, но также и на альфа-, бета- и гамма-лучах, придя к выводу, что следы "ионизирующих лучей любого вида в насыщенном влагой газе можно сделать видимыми за счет конденсации воды на образовавшихся под воздействием лучей ионах".

Камера, писал Вильсон, имеет цилиндрическую форму с горизонтальными плоскими крышкой и дном; ее диаметр равен 7,5 см, а высота 4-5 мм до расширения и около 6,2 мм после расширения. Расширение камеры производится путем резкого опускания ее дна, которым служит плоская верхняя часть полого медного поршня, открытого снизу... Туман наблюдается сквозь верхнюю крышку камеры, сделанную из стекла и покрытую с внутренней стороны, как и дно камеры, тонким слоем прозрачного желатина. Желатин служит клеем, прикрепляющим крышку к камере, а также полностью предотвращает выпадение капелек росы на внутренней поверхности стекла. Кроме того, влажный желатин образует электропроводный слой, на который можно подавать постоянное напряжение.

"Разность потенциалов между дном и крышкой камеры составляла 8 В. Таким образом, ионы, образовавшиеся в камере до расширения, находились в электрическом поле напряженностью около 16 В/см на расстоянии не более 0,5 см от электрода. Поэтому к моменту расширения в камере имелись только те ионы, которые возникли не более чем за 1/40 с до начала расширения, и те, что появились в короткий промежуток времени от начала расширения до момента, когда пересыщение превысило уровень, необходимый для конденсации капель на ионах". Летом 1911 г. была изготовлена вторая камера вдвое большего размера, которая ныне хранится в Кавендишской лаборатории.

Чтобы анализировать следы, оставляемые в камере заряженными частицами, их нужно успеть сфотографировать прежде, чем капельки рассеются. Расходящиеся следы ("треки") на приведенной здесь фотографии созданы альфа-частицами (ядрами гелия), вылетающими из небольшого образца радия, помещенного на металлический язычок спинтарископа (слева). В своей нобелевской лекции, прочитанной при вручении ему Нобелевской премии по физике в 1927 г., Вильсон вспоминал: "Красивейшее зрелище облаков, образующихся вдоль следов альфа-частиц, было тогда увидено впервые". Тонкие линии соответствуют альфа-частицам, пролетевшим сквозь камеру после расширения: оставленные ими следы еще не успели рассеяться. Более широкие полосы показывают траектории частиц, пересекших камеру еще до расширения: эти следы возникли раньше, и молекулы, ионизованные альфа-лучами, уже успели рассеяться.

Камера Вильсона сыграла важнейшую роль во многих открытиях, сделанных в атомной физике на протяжении почти полувека; она сохранила свое значение даже после того, как с 40-х годов для регистрации заряженных частиц стали широко использоваться ядерные эмульсии. Неудивительно, что Э. Резерфорд назвал ее "самым оригинальным и замечательным прибором в истории науки".

1911 г. Кавендишская лаборатория, Кембридж, Великобритания. Ч.Т.П. Вильсон. Камера Вильсона, освещаемая ртутной дугой; объектив 'Изостигмар' Бека с относительным отверстием //5,8 Пластинка 'Илфорд Монарх'. Музей науки, Лондон [103, 296, 297]