想探測(cè)到組成物質(zhì)的基本粒子，并非需要超級(jí)巨大的探測(cè)器。說(shuō)出來(lái)你可能不信，我們自己在家就能搭一個(gè)簡(jiǎn)易的探測(cè)器——可以觀測(cè)到那些來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

撰文 | 劉航

你是否有為孩子做科學(xué)實(shí)驗(yàn)的困擾？現(xiàn)在有機(jī)會(huì)讓你的孩子成為班里最靚的仔。自己動(dòng)手，來(lái)一把粒子物理探測(cè)實(shí)驗(yàn)，用不太復(fù)雜的操作就能看到基本粒子在客廳中穿梭的徑跡！

雖然用肉眼看不到，但基本粒子作為背景輻射卻時(shí)刻在我們身邊。天然的背景輻射（簡(jiǎn)稱天然輻射）源包括宇宙射線 ，巖石中元素的放射性衰變 ，還有生物體中放射性元素的衰變（比如香蕉中的鉀-40）。宇宙射線是極高能量的亞原子粒子（主要是伴隨有電磁輻射的質(zhì)子和原子核），它們穿過(guò)太空，飛向地球。當(dāng)它們撞擊地球的大氣層時(shí)，會(huì)與大氣層中的粒子發(fā)生散射，產(chǎn)生次級(jí)粒子穿過(guò)大氣層來(lái)到地球表面。當(dāng)宇宙射線穿過(guò)云層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生肉眼可見的幽靈般的粒子軌跡。

提到粒子探測(cè)，近年來(lái)科學(xué)新聞里最常提到的應(yīng)該是歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (Large Hadron Collider)，這也是目前粒子物理領(lǐng)域最頂尖的大科學(xué)裝置。這個(gè)探測(cè)器的規(guī)模是超出我們想象的：它們重達(dá)數(shù)千噸，包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)探測(cè)單元，是由數(shù)千名科學(xué)家組成的國(guó)際合作組共同支持的研究項(xiàng)目。

但粒子探測(cè)器并不總是那么龐大和復(fù)雜。有些粒子探測(cè)器可以非常簡(jiǎn)單，重達(dá)千噸的LHC也是從最簡(jiǎn)單的探測(cè)器開始發(fā)展起來(lái)的。云室是最古老的粒子探測(cè)器之一，粒子物理學(xué)歷史上的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都與其有關(guān)，它還直接導(dǎo)致了兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)的誕生。英國(guó)物理學(xué)家查爾斯·威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson，1869-1959），本想研究潮濕空氣中的云的形成和光學(xué)現(xiàn)象，卻無(wú)意中發(fā)明了云室——第一臺(tái)粒子探測(cè)器。他于 1911 年完善了第一個(gè)（擴(kuò)展）云室，并于 1927 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。美國(guó)物理學(xué)家卡爾·安德森（Carl David Anderson，1905-1991） ，在 1932 年和 1936 年使用膨脹云室發(fā)現(xiàn)了正電子和繆子，他因發(fā)現(xiàn)了正電子獲得1936年諾貝爾獎(jiǎng)。

云室對(duì)早期亞原子粒子的研究是非常重要的，隨著觀測(cè)技術(shù)以及加速器的不斷發(fā)展，這樣原始的探測(cè)器留在了歷史長(zhǎng)河中。但通過(guò)觀測(cè)粒子的軌跡來(lái)研究粒子性質(zhì)這一方法，至今仍應(yīng)用在大型加速器上，是粒子物理領(lǐng)域最重要的研究手段之一。追隨歷史足跡，威爾遜單槍匹馬就能搭建云室，意味著我們也有機(jī)會(huì)在自己家里打造一個(gè)云室，在家里就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子軌跡的觀測(cè)。

今天，我們介紹一個(gè)家庭版云室探測(cè)器的制作方法，利用蒸發(fā)的酒精制造出一種“云”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的觀測(cè)。

云室的工作原理

首先，我們先來(lái)了解一下云室具體的工作原理。

當(dāng)帶電粒子在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)與大氣分子發(fā)生碰撞，而使空氣分子發(fā)生電離。氣體分子被電離后會(huì)吸引極性分子（水和酒精都是極性分子）。這時(shí)，如果周圍是極性分子的過(guò)飽和蒸氣，極性分子就可以以電離后的氣體分子為凝結(jié)核而液化。這樣極性分子不斷聚集，會(huì)形成肉眼可觀察到的云霧狀微小液滴。所以，如果我們看到了“云霧”的痕跡，就說(shuō)明看到了粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

為了能在實(shí)驗(yàn)中觀察到上述的現(xiàn)象，我們需要在一個(gè)密閉容器里充滿極性分子的過(guò)飽和蒸汽來(lái)制造“云”，以此建造我們的“云室”。過(guò)飽和蒸氣是指在一定溫度下超過(guò)飽和蒸氣應(yīng)有的密度而仍不液化或凝華的蒸氣，它的特點(diǎn)是不穩(wěn)定，如果出現(xiàn)凝結(jié)核就會(huì)液化或凝華。形象地說(shuō)，就像在涼爽的秋天早晨草葉上的露珠，容器中過(guò)飽和蒸汽會(huì)在它可以粘住的任何物體上形成云狀液滴。

云室可以由不同類型的過(guò)飽和蒸氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們這里用酒精或者異丙醇。在一個(gè)密閉的容器內(nèi)，使容器頂部溫?zé)岵⑶业撞坷洹嘏捻敳繉⒕凭?異丙醇汽化，汽化后的蒸氣在底部液化，這樣在容器的底部就易形成過(guò)飽和蒸氣。當(dāng)粒子帶電粒子通過(guò)蒸氣時(shí)，會(huì)使空氣分子電離。蒸氣中的酒精/異丙醇是極性分子，它們會(huì)被吸引到電離粒子的周圍。然后凝結(jié)成云霧狀滴落到容器底部。云室內(nèi)形成的軌跡，可能看起來(lái)就像飛機(jī)的軌跡一樣——細(xì)長(zhǎng)的線條標(biāo)志著粒子粒子穿過(guò)云室的路徑。

建造云室需要如下的材料和幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

需要的材料：

• 密閉的容器：透明的塑料或玻璃容器（如魚缸）。容器必須保持密閉才能保證酒精處于過(guò)飽和蒸汽狀態(tài)；

• 異丙醇或酒精（濃度90% 或更高）。處理時(shí)帶上護(hù)目鏡，請(qǐng)避免兒童觸碰；

• 毛氈，也可用海綿或一次性紙巾等能吸水的材料。酒精和異丙醇易受熱揮發(fā)，為了讓密閉容器內(nèi)充滿足夠的過(guò)飽和蒸汽，需要毛氈吸收足夠量的酒精或異丙醇。

• 固定裝置。要將毛氈固定在密閉容器內(nèi)，根據(jù)你的實(shí)際容器選用。因?yàn)槿萜鲀?nèi)是異丙醇或酒精蒸汽，會(huì)使膠水溶解失效。可以用口香糖或者黏土

• 干冰（固態(tài)二氧化碳，網(wǎng)購(gòu)可買到）。這是為了讓容器底部保持低溫狀態(tài)，處理干冰時(shí)請(qǐng)戴上厚手套；（注：如果你想嘗試不用干冰的方法，見參考資料[5]）

• 一個(gè)盛放干冰用的扁平的容器和蓋子。但注意不要太深而擋住視線。

• 足以覆蓋容器蓋子大小的黑色的金屬板或黑紙。黑色可以吸收光線消除反射，有利于觀察粒子產(chǎn)生的軌跡。金屬板有更好的導(dǎo)熱效果使密閉容器下端保持低溫。

• 照明設(shè)備

實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 將毛氈剪成魚缸底部的大小，將它固定在魚缸底部。 固定好毛氈后，用異丙醇/酒精將其完全浸濕，但上面不要留有液體。（不要喝?。?/p>

2. 在扁平盒子中放入干冰。

3. 先將蓋子蓋在干冰上，黑色金屬板/黑紙放在蓋子上。

4. 將魚缸倒扣在下方盒子上，底部朝上，蓋嚴(yán)。

現(xiàn)在，我們的家庭版自制云室就已經(jīng)完成了！為了保持上端溫度（使酒精加熱形成酒精蒸氣，而使云室內(nèi)形成過(guò)飽和蒸氣），可以在云室頂部放一杯溫水。如要想要更好的觀測(cè)效果，我們可以在黑暗的環(huán)境下，用手電筒照射透明容器觀察。一切準(zhǔn)備就緒，只需等待大約10分鐘，我們就能看到粒子留下的軌跡。

粒子通過(guò)云室

你也許會(huì)看到許多不同形狀的軌跡，它們不是同一種粒子留下的。常見的軌跡有以下幾種類型。

• 短而粗的軌跡

短而粗的軌跡（大約5cm長(zhǎng)），表明粒子不是來(lái)自宇宙射線。它大概率是一個(gè)大氣中的氡原子衰變放出一個(gè)氦核而留下的。氡是一種天然存在的放射性元素，但它在空氣中的濃度很低，其放射性低于花生醬。從氡原子中放出的氦核，體積大且能量低，因此它們會(huì)留下短而粗的軌跡。

• 長(zhǎng)而直的軌跡

長(zhǎng)而直的徑跡是來(lái)源于次級(jí)宇宙粒子，如粒子的μ子和它的反粒子正μ子。當(dāng)宇宙射線撞擊大氣層高處的大氣分子時(shí)會(huì)產(chǎn)生成對(duì)的正負(fù)μ子。它們使周圍的空氣分子電離，因?yàn)樗鼈冑|(zhì)量很大，與空氣分子散射，會(huì)留下干凈、筆直的軌跡。當(dāng)然這些軌跡也可能是高速電子的軌跡。

• 卷曲路徑

如果觀察到的軌跡看起來(lái)像一個(gè)迷路的游客行走的路徑，那你有可能觀測(cè)到了慢速的電子或正電子。當(dāng)宇宙射線撞擊大氣分子時(shí)，產(chǎn)生最多的是成對(duì)電子和正電子。也有可能是來(lái)源于光電效應(yīng)的慢速電子。慢速的電子和正電子是比較輕的粒子，當(dāng)它們撞擊空氣分子時(shí)會(huì)反彈，留下鋸齒形和卷曲的軌跡。

• 有分叉的軌跡

如果觀察到的軌跡有分叉，那你很可能剛好看到了一個(gè)粒子的衰變過(guò)程。許多粒子是不穩(wěn)定的，會(huì)衰變成更穩(wěn)定的粒子。當(dāng)然也有可能是其他過(guò)程（比如電子μ子散射）。

云室還有進(jìn)階玩法

• 比較常見的如堅(jiān)果、香蕉、粘土，都是生活中的放射源，請(qǐng)將其放在云室附近，觀察輻射增加會(huì)有什么影響？

• 云室為測(cè)試屏蔽輻射的方法提供了極好的機(jī)會(huì)。在放射源和云室之間放置不同的材料：水，一張紙，金屬片，我們的手等各種材料。哪種材料的防輻射效果更好呢？

• 嘗試在云室中加上磁場(chǎng)。將磁鐵放在云室旁，觀察帶正電荷和負(fù)電荷粒子將在相反的方向上彎曲。

更多的嘗試，讓我們了解更多的物理現(xiàn)象。是不是有趣到停不下來(lái)？

粒子探測(cè)器不僅對(duì)粒子物理學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要，現(xiàn)在它也已經(jīng)延伸到科學(xué)、工業(yè)乃至生活各處，從藥物開發(fā)、醫(yī)學(xué)成像、分析古代文物，測(cè)試新材料、保護(hù)宇航員等都發(fā)揮著重要作用。這不僅使我們的生活更安全、更健康，也使我們的知識(shí)更豐富。

所以，快自己動(dòng)手體驗(yàn)一下吧！

參考資料

[1] https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1745504

[2] https://scoollab.web.cern.ch/sites/scoollab.web.cern.ch/files/documents/20200521_JW_DIYManual_CloudChamber_v7.pdf

[3] https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/how-to-build-your-own-particle-detector

[4] https://www.symmetrymagazine.org/article/september-2014/detectors-in-daily-life

[5] https://www.youtube.com/watch?v=gt3Ad5_Z5IA