物理 物理学史和物理学家 威耳逊云室的发明和霍秉权的改进! 牙述刚!, " # # 胡化凯$ (!# 广西民族学院电子与通讯工程学院# 南宁# ($# 中国科学技术大学科技史与科技考古系# 合肥# 摘# 要# # 英国物理学家 威耳逊是云室的发明者, 中国物理学家霍秉权对云室做了重要改进* 文章在介绍 威耳逊发明云室工作的基础上, 着重分析了霍秉权对云室的改进工作及其意义* 关键词# # 威耳逊, 发明, 云室, 霍秉权, 改进 0$1 02 3&+4'" ."- &%4 &/51'#$/$"% 02 67 87 9' -. /0123456!, " # # 78 714294:$ 0(,)0"+ '+%0+$$*0+%,1/,+%20 3+04$*50)6 &"* 7,)0"+,#0)0$5,7,++0+%8 %&'''(,!90+,) 05)"*6 "& =(0$9+"#"%6 ,+- ?*(9,$".$)*6 ,3+04$*50)6 "& =(0$9+"#"%6 "& !90+,,<$&$08 $&''$(,!90+,) :04%1.0 ?0@>:A:B:C>D5 :5EF5=FG =0F ACD1G A04HIF< 45G J* K* 7D L4> =0F )0:5F>F ?0@>2 :A>= L0D :H?D5M> :5EF5=:D5 :> :65:N:A45AF DN 7DM> :H? 454C@OFG* <$2 ='1-4;B:C>D5,:5EF5=:D5,ACD1G2A04HIF<,J* K* 7D,:H?D01* ADH # # 霍秉权, 字重衡, 中国物理学家和教育家* !T'& 年$月$Q 日出生于湖北省黄冈县樊口镇一个小商 人家庭* 早年在私塾读书, 后到鄂城县寒溪中学读初 中* 高中毕业后, 考入南京国立中央大学, !T$T 年毕 业, 获理学学士学位, 随即留校任助教* !T&' 年考取 湖北省公费留学英国, !T&! 年进入英国伦敦大学学 习, 然后到剑桥大学师从诺贝尔物理学奖获得者、 英 国著名物理学家 威耳逊, 进行云室的改进 及其应用研究* !T&% 年回国, 先后任清华大学和西 南联合大学教授, 继续进行云室的改进并将其应用 于宇宙 线的研究* !TU& 年赴美国华盛顿卡内基()4<5F6:F) 研究所进行合作研究* !TUU 年回国, 先后 任清华大学物理系教授、 系主任 (!TU(—!TUT) , 东 北工学院物理系教授兼系主任 (!T%!—!T%$) , 东北 人民大学物理系教授 (!T%$—!T%%) , 为这三所大学 物理系的恢复和建设作了大量的工作* !T%( 年到河 南省筹建郑州大学, 历任物理系教授、 系主任、 校长 助理、 副校长* 在郑州大学物理系, 他除了担任基础 物理教学外, 还开展了原子核能谱和宇宙线的研究, 并培养这方面的人才, 从而使郑州大学成为我国高 等学校中进行宇宙线及高能物理研究的主要院校和 人才培养基地之一* 霍秉权曾当选为第二、 三、 五届 全国人民代表大会代表兼河南省人民代表大会代表 及河南省第五届人民代表大会常务委员会副主任; 中国民主同盟中央委员、 河南省第四、 五届副主任; 中国人民政治协商会议河南省第四届委员会副主 席; 河南省科学院副院长; 中国高能物理学会理事、 河南省物理学会理事长、 河南省核学会名誉理事长 等职* !TVV 年T月$Q 日病逝于南京, 享年 V( 岁[!] * 霍秉权是我国老一辈物理学家, 他对威耳逊云 室的改进工作, 为$' 世纪高能物理研究, 尤其是宇 宙线的研究作出了基础性的贡献, 同时, 他也是我国 宇宙线研究的奠基人和开拓者* 云室是观测高能粒 · > ? @ · ! "" 卷(#$$% 年) & 期 子径迹的重要仪器, 是由 威耳逊发明的, 但 是威耳逊发明的云室存在一些缺陷, 因此它并不适 用于观测宇宙线( 霍秉权对云室进行改进以后, 使它 的性能进一步完善, 应用范围得以拓展, 能够被用于 包括宇宙线在内的各种高能粒子的观测( +! 威耳逊云室的发明 威耳逊 +,&- 年#月出生在苏格兰的一个农民 家庭里( +,,, 年他获得剑桥大学的奖学金而成为 .( .( 汤姆孙的研究生( 云室的发明起源于他在实验室 中进行模拟日晕现象的实验研究( +,-% 年-月, 威 耳逊在苏格兰群山的最高峰尼维斯峰天文台观察到 日晕的瑰丽云景, 使他发生了极大的兴趣, 于是开始 致力于在实验中重现这种现象的研究( 他研制的第一个实验装置如图 + 所示 [#] , 它被 叫作膨胀测量仪( 使观测室 / 内的潮湿空气膨胀达 到过饱和状态就可以制造出人工云雾, 用光照射到 人工云雾上就能看到彩霞( 实验过程是通过玻璃管 ' 上的阀 0 调节 / 中潮湿气体的体积, 1 是一个与 抽气机及容器 2 连接的真空室, 调节气阀 3 就可以 改变 2 中液面压强, 使/内气体膨胀达到过饱和状 态, 如果 / 内有凝结核, 即可产生云雾( 图+! 威耳逊研制的第一个实验装置— — —膨胀测量仪 威耳逊没有将自己的研究停留在对美好景色的 观赏之上, 而是对形成雾珠的凝结核产生了兴趣( 根 据当时人们的观点, 要使水蒸气凝结, 每颗雾珠必须 有一个尘埃为核心( 尘埃是唯一的凝结核吗?威耳 逊进行大量的实验后发现: 除去仪器中的尘埃后, 只 要膨胀比足够大, 云雾同样出现( 这说明除了尘埃 外, / 室中还有某种凝结核心存在( 他立即想到, 这 些凝结核会不会是带电的原子? +,-4 年秋, 伦琴发现了 5 射线( 威耳逊受导师 .( . 汤姆孙研究空气在 5 射线照射下的导电性的影 响, 他将膨胀测量仪产生云雾的部分改成如图 # 所 示的装置 ["] , 用于观察 5 射线照射过饱和气体可能 产生的现象( 其工作原理为: 将混有水蒸气的洁净空 气注入 2 室, 用5射线管 ' 照射水蒸汽使之电离, 然后用活塞 / 使室中气体的温度和压强在突然膨 胀过程中急剧下降, 从而产生过饱和蒸汽, 以离子为 凝结核的云雾立即出现( 这个实验证明了凝聚现象 是以离子为中心出现的( 此后, 威耳逊还用这个装置 研究了铀射线、 紫外线、 尖端放电以及其他方法在空 气中产生的凝结现象( 经过四年研究, 他总结出, 当 无尘空气的体积膨胀比为 +( #4 时, 一部分负离子开 始成为凝聚核心; 当膨胀比为 +( #, 时, 全部负离子 成为凝聚核心( 对于正离子来说, 膨胀比为 +( "+ 时 有些即成为凝聚核心, 膨胀比为 +( "4 时全部成为凝 聚核心( 图#! 威耳逊改进后的膨胀测量仪中产生云雾的部分 威耳逊的研究方法和有关结果为当时从事离子 电荷测量的 .( .( 汤姆孙和 6( /( 威耳逊所采用, 他 们从负离子生成可见雾滴所需的过饱和度直接推算 出基本电荷 ! 的量值为 %( - 7 +$ 8 +$ 静电单位, 与密 立根的精确测定值的误差仅为百分之一 [#] ( 至此, 威耳逊还没有发现他发明的膨胀测量仪 可以用来显示粒子的径迹( +-+$ 年, 威耳逊开始做 一些实验来扩大膨胀测量仪的应用, 研究用其直接 测定离子电荷的可能性, 他认识到电离粒子的径迹 由于在离子上形成凝结水而成为可见的和可照相 的( 这时, 威耳逊才开始着手设计制作用于观测射线 径迹的云室( 他花了很多时间去试验膨胀仪器的最 合适的形状, 寻找拍摄云雾颗粒时瞬时照明的有效 方法( +-++ 年夏天, 他在卡文迪什实验室的工厂加 · ! " # · 物理学史和物理学家 物理 工制造了第一台用于观测射线径迹的云室! "#"$ 年, 威耳逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相 设备, 直到 "#$% 年, 云室作为研究射线径迹的重要 仪器才初步定型! 图%是威耳逊设计制作的云室实 物照片 [&] , 图&是它的原理图 [&] ! 威耳逊曾用它拍 摄过很多粒子径迹的照片! 图%' 威尔逊设计制作的云室的实物照片 图&' 威耳逊云室的原理图 这个云室叫做活塞膨胀式云室, 它的工作原理 如下: 将洁净的潮湿气体注入观测室 ( 内, 用直流 电源 ) 在云室的顶部和底部之间产生一个电场, 清除(内气体中可能残留的带电粒子, 将玻璃容器 * 抽成真空, 按照要求通过连杆开启阀门 +, 活塞 , 就 会突然下降, 使(内气体突然膨胀产生必需的过饱 和气, 然后使致电离粒子通过过饱和气体, 照亮在离 子轨迹上凝聚的云雾, 用相机从云室上方向下进行 拍照, 即可得到粒子使过饱和气体凝聚的照片! 威耳逊利用他发明的云室拍得 ! 粒子引起云 室内气体凝聚的第一批照片后, 立即将其中一张送 给-! (! 布拉格, 布拉格一看照片就认为, 照片所显 示的现象与他想象的 ! 粒子的径迹完全一致! 接着 威耳逊又拍摄了 " 粒子引起云室气体凝聚的照片, 这些照片也与布拉格的结论相一致! 因此, 人们认为 带电粒子作为凝结核在云室中引起过饱和气体凝聚 的现象反映的是这种粒子的径迹! 原来被认为是来 去无踪的粒子运动的径迹就是这样直观地展现在人 们眼前! $. 世纪初, 人们根据已有实验结果猜测的各种 天然放射性相继被证实, 由于这些射线不能通过现 有的实验仪器被肉眼直接看到, 只能被验电器检测! 威耳逊云室通过间接的方式使射线的径迹直观地展 现在人们眼前, 云室的发明对于促进天然放射性的 探测和研究起到了积极的作用, 极大地加快了粒子 物理和核物理的建立和发展! 由于云室所具有的这种重要功能, 许多科学家 都仿制和使用它, 其中比较著名的有: )! /! 0! 布莱 克特 (+1234556) 对!粒子与原子核碰撞和由此产生 的原子衰变的研究; /! 居里 (/7"6 *8976) 和:! 梅特 涅(: ! /675;69) 对单个 ! 粒子射程的研究; 查德威 克(*<2=>734) 和埃米勒斯 (?! @A6168B) 对#射线的 研究等 [$] ! 威耳逊云室发明后的第一个最成功的运 用是威耳逊拍摄的 C 射线散射照片中的有关现象 支持了 (! -! 康普顿关于 C 射线散射的理论! 因此, 威耳逊和康普顿共同分享了 "#$D 年的诺贝尔物理 学奖! 尽管这个简单的活塞式云室对当时的射线研究 起到了令人惊叹的巨大作用, 但它在结构和功能上 还存在一些明显的缺陷! 首先, 它是通过活塞快速地 向下移动来增大云室的体积, 使云室内的气体达到 过饱和状态! 云室的有限容积由于活塞的移动而发 生改变, 这就很难保证在膨胀时不搅动气体, 气体受 到的搅动越大, 粒子径迹的失真就越严重! 其次, 云 室使用时, 要保证除待观测的粒子外, 其内部不能有 "尘埃" 颗粒, 为了防止不洁净气体的侵入, 要求云 室有很好的密封性, 为此采用了橡胶环加油或其他 液体的密封方式! 由此增大了云室制作以及实际操 作的难度! 再次, 由于采用液体来增加密封性能, 致 使威耳逊发明的云室只能水平放置 [E] ! 由于用于宇 宙线研究的云室必须垂直放置, 因此威耳逊采用液 体密封的云室不适用于宇宙线的观测研究! $' 霍秉权对威耳逊云室的改进 "#%" 年初春, 霍秉权进入英国伦敦大学学习! 当时他注意到剑桥大学的威耳逊在 "云室" 上开展 · ! " ! · 物理学史和物理学家 ! "" 卷(#$$% 年) & 期 的研究工作很有意义, 经过反复考虑, 霍秉权向威耳 逊提出跟随其作研究的申请, 威耳逊很快就同意接 受他作为其研究生' 来到剑桥后, 霍秉权很快迷上了 云室, 尤其对解决云室存在的缺陷问题产生了极大 的兴趣' 他对云室的组成及其各部分的功能进行深 入的分析和研究后, 发现要解决的主要问题是: (() 通过移动活塞来实现膨胀与云室密封的矛盾; (#) 云室体积的突然增加所造成的室内气体的搅动问 题; (") 由于活塞间歇性的突然移动对云室工作稳 定性的影响' 经过无数次的探索和尝试, 霍秉权终于找到了 解决活塞式云室缺陷问题的方法: 他将云室分为两 层, 如图 ) 所示 [&] , * 和+是两个玻璃圆筒, 直径分 别为 (),- 和(&,-, 高度分别为 ",- 和),-' .( 是 带有内凸缘 / 的黄铜环, / 与圆玻璃板 0 连接' 中 间由金属网分开, 上层是云室的灵敏区, 它的体积不 改变' 下层的玻璃圆筒在金属隔网下边装有一块橡 皮膜 1, 当此膜膨胀时, 则下部压力降低, 因而灵敏 区的压力也随之下降, 与下部压力达到平衡, 使云室 内气体达到过饱和状态' 图)! 经霍秉权改进后的云室装置 霍秉权的这一改进, 使得云室产生过饱和气体 的方式从原来的活塞膨胀式变成了改变压力式, 以 橡胶膜的膨胀代替了活塞的移动, 因为没有活塞的 突然移动' 云室的灵敏区空间始终保持不变, 气体不 被搅动, 两个玻璃圆筒间的金属隔网足以阻止流动 气体中的湍流脱离静止云雾粒子的相对位置, 使气 体流动产生的影响可以忽略不计, 作为拍摄粒子径 迹的背景又是固定的, 所以, 粒子的径迹反映得更为 真实' 如图 ) 所示的云室组装完成后, 玻璃面板 0 和 橡胶膜 1 与两个玻璃圆筒被紧密地连接成一个整 体, 云室工作时, 云室内气体与外界完全隔绝, 云室 的密封问题得到圆满的解决' 由于没有活塞的间歇 性的突然移动, 整个装置的工作十分稳定, 为拍摄高 质量的照片提供了一个可靠的保证' 此外, 云室上沿 的黄铜环 .( 的设计十分巧妙, .( 有内凸缘 /, / 与 圆板玻璃 0 连接, 当云室中的气体压强超过大气压 强时, 凸缘在圆板玻璃 0 的上方, 当云室中的气体 压强低于大气压强时, 凸缘在圆板玻璃 0 的下方, 使得改进后的云室能够适应室内气体压强在较大范 围内的变化, 应用范围更加广泛' 霍秉权在卡文迪什实验室的工厂里制作出新的 云室后, 用不同的致电离源, 在云室中终值压强从超 过一 个大气压强一直减到2,- 水银柱高(%3""(04) 的范围进行拍摄粒子径迹的实验研究' 在云室内气体压强高于大气压强的实验中, 拍 摄由 5 射线作用射出的电子穿过云室的径迹, 得到 了非常令人满意的的电子径迹的照片, 并且当云室 膨胀大到在正离子和负离子上产生几乎相同的凝聚 作用时, 很少有 "背景" 水珠的径迹损坏电子径迹的 清晰度' 云室中的金属网也很好地解决了云室内流 动气体中的湍流问题' 原来使用活塞式膨胀云室拍 摄!射线的径迹, 因为排气管中的空气震荡造成拍 出的照片出现两条水珠的平行线的现象, 使用改进 后的云室就可以防止这种现象的发生' 在低于大气 压的实验中, 霍秉权拍摄的 " 粒子和 ! 粒子的照片 同样比使用活塞式云室更加容易操作, 得到的照片 也十分清晰 [2] ' 应清华大学物理系赵忠尧教授的邀请, 霍秉权 于(3"% 年6月启程回国' (3") 年#月起, 在清华大 学物理系任教, 他在进行基础理论教学的同时致力 于科学研究' 他将云室作了进一步的改进后, 采用云 室实验的研究方法进行放射性镭的 ! 射线的能量 分布的研究, 于(3"& 年在 《中国物理学报》 第#期上发表了 《 !7849:;<,=8>-?@84AB>-C》 的科学论文' 图&是霍秉权在清华大学使用的改进后的云室 [6] ' 这个云室将原来云室的玻璃圆筒改为黄铜圆筒, 下 部的稍大的玻璃圆筒改为两个黄铜圆筒 * 和+, 在 它们之间插入橡胶膜 1 ' 因为黄铜圆筒 . 的恰当直 径, 以及因为橡胶膜 1 在膨胀前高于其水平位置, 而在膨胀后又低于其水平位置, 所以圆筒 . 内的空 气的湍动效应大大减小, 以致于可以不用金属网隔 板D就可以提高产生过饱和气体的速度' 在原来放 置金属隔板的位置只需要使用一片黑色棉织丝网作 为拍摄照片的背景' 圆筒 . 内气体的膨胀是通过孔 E 的开闭而实现的, 图&的下半部是孔 E 的开闭控 制装置, 是当时与霍秉权一道在卡文迪什实验室从 事研究工作的英国物理学家、 诺贝尔奖获得者布莱 · ! ! " · 物理学史和物理学家 物理 克特的研究成果之一, 故本文不作详细介绍! 图"# 霍秉权在清华大学使用的进一步改进后的云室 由于当时的中国处于极端落后贫穷的状态, 放 射性元素十分缺乏, 改进云室并用于宇宙线的观测 成了霍秉权的研究重点, 他在清华大学的科学馆制 作了用于观测宇宙线的 "双云室" ! 利用这个装置来 观察宇宙射线, 其径迹清晰, 性能良好! 他的这一创 造得到国际著名物理学家 $! 玻尔和霍秉权的导师 威耳逊的充分肯定! 他的研究成果于 %&'( 年写成题 为 《双云室研究宇宙射线》 的论文, 但因抗日战争爆 发而未能送出[%] ! 抗战期间, 在西南联大的艰苦环 境里, 霍秉权仍然坚持教学和进行科学研究, 继续制 作 "大云室" , 研究宇宙射线! 令人遗憾的是因为战 争的原因, 霍秉权在此期间的研究成果没有能够发 表, 他在清华大学制作的 "双云室" 及其附件也被日 本侵略者掠夺走! '# 霍秉权工作的意义 经过霍秉权改进后的云室比威耳逊发明的活塞 式云室具有更多的优点, 突出表现在以下两个方面: (%) 在云室中产生过饱和气体的过饱和度的调 节范围更大了, 有利于各种粒子在云室中成为凝结 核! 活塞式云室工作时, 首先使活塞很快地向下移 动, 以增大云室的体积, 使云室温度下降, 导致其内 部气体达到过饱和状态, 这基本上是绝热膨胀过程, 由体积改变引起的温度变化的关系为 !) !% "( #% #) ) % !$% , 这里 !% , !) 分别是云室膨胀前后的体积, #% , #) 是云 室膨胀前后的温度, ! 是室内气体的比热容! 霍秉权改进后的云室工作时, 橡胶膜膨胀, 则下 部压力降低, 因而灵敏区的压力也随之下降, 与下部 压力达到平衡, 通过降低云室内的压强来使温度下 降, 让气体达到过饱和状态! 云室的压力改变也是绝 热过程, 则温度变化由下列关系确定: %% %) " #% # ( ) ) % !$% , 这里 %% , %) , 是云室膨胀前后的压强, #% , #) 是云室 膨胀前后的温度, ! 是室内气体的比热容! 以上两种产生过饱和气体的方法都是使密闭容 器中的饱和气体降温来获得过饱和状态的! 活塞式 云室因为受到体积变化范围的限制, 膨胀前后的温 度变化范围也就受到了限制, 所以, 产生的过饱和气 体的过饱和度将受到限制, 云室的灵敏程度不够高! 采用改变压力方式, 室内气体压强的可变化范围很 大, 可以较大程度地通过提高气体过饱和度来增加 云室的灵敏度! 过饱和度调节范围大, 有利于各种粒 子在云室中成为凝结核! ()) 改进后的云室可以水平或竖直放置, 适用 于包括宇宙射线在内的各种射线径迹的观测! 经过霍秉权改进后, 因为是通过橡胶膜来改变 云室内的压强, 云室的工作区已经完全密封, 不再需 要液体来密封, 因此可以根据观测需要任意放置, 从 而扩大了其应用范围! 由于宇宙线从外层空间到达 地球表面附近的径迹应该是与地面垂直的, 所以, 用 于宇宙线观测的云室必须垂直放置! 经霍秉权改进 后的云室可以满足这种需要! 在霍秉权对云室的结构进行改进的同时, 英国 物理学家 布莱克特在进行云室的控制和自 动延时拍照系统的研究! 将云室用于宇宙线径迹的 拍摄遇到了两个主要问题: 一是要求云室垂直放置, 这已由霍秉权加以解决; 二是因为宇宙射线是稀少 的, 如果让云室随机拍摄, 所拍的照片只有百分之二 到百分之五有宇宙线的径迹, 照片的可使用率很低! 为了克服这一缺陷, 布莱克特研究解决了云室拍摄 宇宙线的自动化问题! 布莱克特将霍秉权改造后的 云室垂直放置在强磁场中, 与他研制的自动拍摄系 统配合, 组成了有效用于宇宙线观测和研究的实验 装置! 他称霍秉权改进后的新型云室是配合其电子 管自动控制系统的最佳选择 [&] ! 布莱克特正是由于 在改进云室自动拍摄系统和宇宙线研究方面的贡献 而获得了 %&-. 年度诺贝尔物理学奖! 威耳逊云室经过霍秉权改进以后, 得到广泛的 使用, 通过橡胶膜膨胀改变压强而获得过饱和气体 · ! " # · 物理学史和物理学家 ! "" 卷(#$$% 年) & 期 的云室在宇宙线观测上一直被沿用着; 而威耳逊的 活塞式云室几乎不再被用于科学研究, 一般只是作 为介绍云室工作原理的教具' #$ 世纪中期, 我国物理学家朱福炘、 张文裕在 美国进行宇宙线的研究, 使用的也是霍秉权改进后 的橡胶膜膨胀式云室 [($] ' 他们对云室也作了进一步 的改进和完善, 使云室的自动化程度不断提高, 适应 多种条件下的观测, 拍摄的照片质量更高' 有关他们 的工作我们将另文进行讨论' 上述表明, 威耳逊发明云室为 #$ 世纪的粒子物 理研究提供了一种重要的仪器, 而我国物理学家霍 秉权先生对威耳逊云室的改进和发展做出了重要的 贡献, 从而促进了粒子物理学研究的快速发展' 参考文献[(]中国科学技术协会编' 中国科学技术专家传略 (理学篇物 理卷) ' 北京:中国科学技术出版社, ())" 010 23.4 0/30 503-/67689 :1163.;<.6/' =>.0? =.68>;@-9 6? ,-./010 23.4 0/30 503-/67689 *A@0><1 (B-91.31 C67DE0 6? 23.0/30 ,-;@<0>) ' ! =0.F./8:,-./010 23.0/30 503-/67689 B>011 ,())" ( ./ ,-.4 /010) ] [ # ] 宋玉升等编' 诺贝尔奖获得者演讲集 物理学(第二卷) ' 北京: 科学出版社,()G% [*+' 26/8 H 2' 5-0 2@003- C67DE01 6? I6J07 B>.K0 L.//0>1M (B-91.31 NN) ' =0.F./8:23.0/30 B>011 , ()G% (./ ,-./010) ] [ " ] 谢邦同主编' 世界近代物理学简史' 沈阳: 辽宁教育出版社, ()GG [ *+' O.0 = 5' 5-0 =>.0? 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