自己动手，在家做一回粒子物理实验

你不需要一个超级巨大的探测器来探测组成物质的基本粒子你可能不相信，但我们可以在家里建造一个简单的探测器——我们可以观察来自遥远宇宙的粒子轨迹

给孩子做科学实验有困难吗现在你有机会让你的孩子成为班上最漂亮的男孩

虽然肉眼看不见，但基本粒子作为背景辐射一直在我们身边天然本底辐射源包括宇宙射线，岩石中元素的放射性衰变，生物体内放射性元素的衰变宇宙射线是能量极高的亚原子粒子，穿过太空飞向地球当它们撞击地球大气层时，会与大气中的粒子发生散射，导致二次粒子穿过大气层，来到地球表面当宇宙射线穿过云层时，会产生肉眼可见的幽灵般的粒子轨迹

当谈到粒子探测时，CERN的大型强子对撞机是最近几年来科学新闻中提到最多的项目，这也是粒子物理领域的顶级科学仪器这个探测器的规模超出了我们的想象:它们重达数千吨，包含数百万个探测单元它们是由数千名科学家组成的国际合作小组共同支持的研究项目

但是粒子探测器并不总是那么大和复杂有些粒子探测器可以非常简单，重达1000吨的LHC就是从最简单的探测器发展而来的云室是最古老的粒子探测器之一，粒子物理学史上的许多发现都与它有关也直接导致了两个诺贝尔奖的诞生英国物理学家查理·威尔森想研究潮湿空气中云的形成和光学现象，却意外地发明了第一个粒子探测器——云室他于1911年完善了第一个云室，并于1927年获得诺贝尔奖美国物理学家卡尔·大卫·安德森于1932年和1936年在膨胀云室中发现了正电子和μ子他因发现正电子而获得了1936年的诺贝尔奖

云室对于早期亚原子粒子的研究非常重要伴随着观测技术和加速器的不断发展，最初的探测器一直留在历史长河中可是，在大型加速器中仍然使用观察粒子轨迹来研究粒子性质的方法，它是粒子物理领域中最重要的研究方法之一沿着历史的足迹，威尔逊可以自己建造一个云室，这意味着我们也有机会在自己的家里建造一个云室，在那里我们可以观察粒子的运动轨迹

今天介绍一款家用版的云室探测器，利用蒸发的酒精制造云来观测粒子。

云室的工作原理

首先我们来看看云房的具体工作原理。

带电粒子在空气中运动时，会与大气分子发生碰撞，导致空气分子电离当气体被电离时，它会吸引极性分子此时，如果周围是极性分子的过饱和蒸气，可以电离气体分子作为凝结核液化极性分子这样极性分子不断聚集，会形成肉眼可见的云雾状微小液滴所以，如果我们看到了云雾的痕迹，就意味着我们看到了粒子的轨迹

为了在实验中观察到上述现象，我们需要在一个充满极性分子过饱和蒸汽的密闭容器中制造一个云，从而建造我们的云室过饱和蒸汽是指在一定温度下超过过饱和蒸汽密度但仍未液化或冷凝的蒸汽它的特点是不稳定，如果出现凝结核就会液化或凝结形象地说，就像秋天凉爽的早晨草叶上的露珠一样，容器中过饱和的蒸汽会在它能粘附的任何东西上形成云状的水滴

云室可以通过不同类型的过饱和蒸汽来实现，我们这里使用酒精或异丙醇在一个封闭的容器中，保持容器顶部温暖，底部寒冷温热的顶部使酒精/异丙醇汽化，汽化的蒸汽在底部液化，这样容器底部容易形成过饱和蒸汽当带电粒子穿过蒸汽时，它们会电离空气分子蒸汽中的醇/异丙醇是极性分子，它们将被电离的粒子吸引然后它凝结成一朵云，落到容器的底部在云室中形成的轨迹可能看起来就像飞机的轨迹——细长的线条标志着粒子穿过云室的路径

构建云房间需要以下材料和一些简单的步骤:

所需材料:

封闭容器:透明的塑料或玻璃容器。容器必须保持密闭，保证酒精处于过饱和蒸汽状态，

或异丙醇。搬运时戴护目镜，请避免儿童接触，

毛毡也可以由海绵或一次性纸巾等吸水材料制成酒精和异丙醇受热易挥发为了使密闭容器内充满足够的过饱和蒸汽，毛毡需要吸收足够的酒精或异丙醇

固定装置将毛毡固定在密闭的容器中，根据自己的实际容器来选择因为容器里装的是异丙醇或酒精蒸汽，胶水会溶解不掉

干冰这是为了保持容器底部的低温处理干冰时请戴上厚手套

装干冰的扁平容器和盖子但是注意不要太深，以免挡住视线

一块足以盖住容器盖大小的黑色金属板或黑纸黑色可以吸收光线，消除反射，有利于观察粒子的运动轨迹金属板具有更好的导热效果，使密闭容器的下端保持低温

灯光设备

实验步骤:

1.将毛毡剪成鱼缸底部大小，固定在鱼缸底部固定毛毡后，用异丙醇/酒精完全浸泡，但不要在上面留下任何液体

2.把干冰放在一个扁平的盒子里。

3.先把盖子放在干冰上，把黑色金属板/黑纸放在盖子上。

4.将鱼缸倒扣在下盒上，底部朝上，盖紧。

现在，我们自制的云房已经完成了！为了保持上层温度，可以在云室顶部放一杯温水如果想要更好的观察效果，我们可以在黑暗的环境下用手电筒照亮透明的容器一切准备就绪，只需等待10分钟左右，就能看到粒子留下的轨迹

粒子穿过云室。

你可能会看到很多不同形状的轨迹，不是同一种粒子留下的常见的轨迹有以下几种类型

短而粗的轨道

短而粗的轨迹表明这些粒子不是来自宇宙射线大气中的氡原子衰变释放出氦核的概率很高氡是天然存在的放射性元素，但在空气中的浓度很低，放射性比花生酱还低氡原子放出的氦核体积大，能量低，所以留下的轨迹又短又粗

又长又直的轨道

卷曲路径

分叉轨迹

如果观察到的轨迹是分叉的，你很可能只是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，也可以是其他过程

云房也有高级玩法。

常见的放射源如坚果，香蕉，泥土等都是生活中的放射源请把它们放在云室附近，观察辐射会有什么影响

这种云为测试屏蔽辐射的方法提供了一个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，我们的手和其他材料哪种材料防辐射效果更好

试试给云室加个磁场在云室旁边放一块磁铁，观察正负带电粒子会向相反方向弯曲

多尝试，让我们多了解一些物理现象是不是太有趣停不下来了

粒子探测器不仅对粒子物理学的发展至关重要，现在它也被扩展到科学，工业甚至生活中，在药物开发，医学成像，古代文物分析，新材料测试和保护宇航员等方面发挥着重要作用这不仅使我们的生活更加安全和健康，也丰富了我们的知识

所以，自己体会吧！

参考数据

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