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自己动手，在家做一回粒子物理实验( 二 )

科学家 探测器 宇宙射线


云室可以由不同类型的过饱和蒸气来实现 ， 我们这里用酒精或者异丙醇 。 在一个密闭的容器内 ， 使容器顶部温热并且底部冷 。 温暖的顶部将酒精/异丙醇汽化 ， 汽化后的蒸气在底部液化 ， 这样在容器的底部就易形成过饱和蒸气 。 当粒子带电粒子通过蒸气时 ， 会使空气分子电离 。 蒸气中的酒精/异丙醇是极性分子 ， 它们会被吸引到电离粒子的周围 。 然后凝结成云雾状滴落到容器底部 。 云室内形成的轨迹 ， 可能看起来就像飞机的轨迹一样——细长的线条标志着粒子粒子穿过云室的路径 。
建造云室需要如下的材料和几个简单的步骤：
需要的材料：
密闭的容器：透明的塑料或玻璃容器（如鱼缸） 。 容器必须保持密闭才能保证酒精处于过饱和蒸汽状态；异丙醇或酒精（浓度90% 或更高） 。 处理时带上护目镜 ， 请避免儿童触碰；毛毡 ， 也可用海绵或一次性纸巾等能吸水的材料 。 酒精和异丙醇易受热挥发 ， 为了让密闭容器内充满足够的过饱和蒸汽 ， 需要毛毡吸收足够量的酒精或异丙醇 。 固定装置 。 要将毛毡固定在密闭容器内 ， 根据你的实际容器选用 。 因为容器内是异丙醇或酒精蒸汽 ， 会使胶水溶解失效 。 可以用口香糖或者黏土干冰（固态二氧化碳 ， 网购可买到） 。 这是为了让容器底部保持低温状态 ， 处理干冰时请戴上厚手套；（注：如果你想尝试不用干冰的方法 ， 见参考资料[5
）一个盛放干冰用的扁平的容器和盖子 。 但注意不要太深而挡住视线 。 足以覆盖容器盖子大小的黑色的金属板或黑纸 。 黑色可以吸收光线消除反射 ， 有利于观察粒子产生的轨迹 。 金属板有更好的导热效果使密闭容器下端保持低温 。 照明设备实验步骤：
1. 将毛毡剪成鱼缸底部的大小 ， 将它固定在鱼缸底部 。固定好毛毡后 ， 用异丙醇/酒精将其完全浸湿 ， 但上面不要留有液体 。 （不要喝！）
2. 在扁平盒子中放入干冰 。
3. 先将盖子盖在干冰上 ， 黑色金属板/黑纸放在盖子上 。
4. 将鱼缸倒扣在下方盒子上 ， 底部朝上 ， 盖严 。
现在 ， 我们的家庭版自制云室就已经完成了！为了保持上端温度（使酒精加热形成酒精蒸气 ， 而使云室内形成过饱和蒸气） ， 可以在云室顶部放一杯温水 。 如要想要更好的观测效果 ， 我们可以在黑暗的环境下 ， 用手电筒照射透明容器观察 。 一切准备就绪 ， 只需等待大约10分钟 ， 我们就能看到粒子留下的轨迹 。
粒子通过云室
你也许会看到许多不同形状的轨迹 ， 它们不是同一种粒子留下的 。 常见的轨迹有以下几种类型 。
短而粗的轨迹
短而粗的轨迹（大约5cm长） ， 表明粒子不是来自宇宙射线 。 它大概率是一个大气中的氡原子衰变放出一个氦核而留下的 。 氡是一种天然存在的放射性元素 ， 但它在空气中的浓度很低 ， 其放射性低于花生酱 。 从氡原子中放出的氦核 ， 体积大且能量低 ， 因此它们会留下短而粗的轨迹 。
长而直的轨迹
长而直的径迹是来源于次级宇宙粒子 ， 如粒子的μ子和它的反粒子正μ子 。 当宇宙射线撞击大气层高处的大气分子时会产生成对的正负μ子 。 它们使周围的空气分子电离 ， 因为它们质量很大 ， 与空气分子散射 ， 会留下干净、笔直的轨迹 。 当然这些轨迹也可能是高速电子的轨迹 。
卷曲路径
如果观察到的轨迹看起来像一个迷路的游客行走的路径 ， 那你有可能观测到了慢速的电子或正电子 。 当宇宙射线撞击大气分子时 ， 产生最多的是成对电子和正电子 。 也有可能是来源于光电效应的慢速电子 。 慢速的电子和正电子是比较轻的粒子 ， 当它们撞击空气分子时会反弹 ， 留下锯齿形和卷曲的轨迹 。
有分叉的轨迹
如果观察到的轨迹有分叉 ， 那你很可能刚好看到了一个粒子的衰变过程 。 许多粒子是不稳定的 ， 会衰变成更稳定的粒子 。 当然也有可能是其他过程（比如电子μ子散射） 。
云室还有进阶玩法
比较常见的如坚果、香蕉、粘土 ， 都是生活中的放射源 ， 请将其放在云室附近 ， 观察辐射增加会有什么影响？云室为测试屏蔽辐射的方法提供了极好的机会 。 在放射源和云室之间放置不同的材料：水 ， 一张纸 ， 金属片 ， 我们的手等各种材料 。 哪种材料的防辐射效果更好呢？尝试在云室中加上磁场 。 将磁铁放在云室旁 ， 观察带正电荷和负电荷粒子将在相反的方向上弯曲 。 更多的尝试 ， 让我们了解更多的物理现象 。 是不是有趣到停不下来？

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