自己动手，在家做一回粒子物理实验

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：刘航

你是否有为孩子做科学实验的困扰？现在有机会让你的孩子成为班里最靓的仔。自己动手，来一把粒子物理探测实验，用不太复杂的操作就能看到基本粒子在客厅中穿梭的径迹！

虽然用肉眼看不到，但基本粒子作为背景辐射却时刻在我们身边。天然的背景辐射（简称天然辐射）源包括宇宙射线 ，岩石中元素的放射性衰变 ，还有生物体中放射性元素的衰变（比如香蕉中的钾-40）。宇宙射线是极高能量的亚原子粒子（主要是伴随有电磁辐射的质子和原子核），它们穿过太空，飞向地球。当它们撞击地球的大气层时，会与大气层中的粒子发生散射，产生次级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。

提到粒子探测，近年来科学新闻里最常提到的应该是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (Large Hadron Collider)，这也是目前粒子物理领域最顶尖的大科学装置。这个探测器的规模是超出我们想象的：它们重达数千吨，包含数百万个探测单元，是由数千名科学家组成的国际合作组共同支持的研究项目。

但粒子探测器并不总是那么庞大和复杂。有些粒子探测器可以非常简单，重达千吨的 LHC 也是从最简单的探测器开始发展起来的。云室是最古老的粒子探测器之一，粒子物理学历史上的多项发现都与其有关，它还直接导致了两项诺贝尔奖的诞生。英国物理学家查尔斯・威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson，1869-1959），本想研究潮湿空气中的云的形成和光学现象，却无意中发明了云室 —— 第一台粒子探测器。他于 1911 年完善了第一个（扩展）云室，并于 1927 年获得诺贝尔奖。美国物理学家卡尔・安德森（Carl David Anderson，1905-1991） ，在 1932 年和 1936 年使用膨胀云室发现了正电子和缪子，他因发现了正电子获得 1936 年诺贝尔奖。

云室对早期亚原子粒子的研究是非常重要的，随着观测技术以及加速器的不断发展，这样原始的探测器留在了历史长河中。但通过观测粒子的轨迹来研究粒子性质这一方法，至今仍应用在大型加速器上，是粒子物理领域最重要的研究手段之一。追随历史足迹，威尔逊单枪匹马就能搭建云室，意味着我们也有机会在自己家里打造一个云室，在家里就可以实现对粒子轨迹的观测。

今天，我们介绍一个家庭版云室探测器的制作方法，利用蒸发的酒精制造出一种“云”，以实现对粒子的观测。

云室的工作原理

首先，我们先来了解一下云室具体的工作原理。

当带电粒子在空气中运动时，它会与大气分子发生碰撞，而使空气分子发生电离。气体分子被电离后会吸引极性分子（水和酒精都是极性分子）。这时，如果周围是极性分子的过饱和蒸气，极性分子就可以以电离后的气体分子为凝结核而液化。这样极性分子不断聚集，会形成肉眼可观察到的云雾状微小液滴。所以，如果我们看到了“云雾”的痕迹，就说明看到了粒子的运动轨迹。

为了能在实验中观察到上述的现象，我们需要在一个密闭容器里充满极性分子的过饱和蒸汽来制造“云”，以此建造我们的“云室”。过饱和蒸气是指在一定温度下超过饱和蒸气应有的密度而仍不液化或凝华的蒸气，它的特点是不稳定，如果出现凝结核就会液化或凝华。形象地说，就像在凉爽的秋天早晨草叶上的露珠，容器中过饱和蒸汽会在它可以粘住的任何物体上形成云状液滴。

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？

粒子探测器不仅对粒子物理学的发展至关重要，现在它也已经延伸到科学、工业乃至生活各处，从药物开发、医学成像、分析古代文物，测试新材料、保护宇航员等都发挥着重要作用。这不仅使我们的生活更安全、更健康，也使我们的知识更丰富。

所以，快自己动手体验一下吧！

参考资料

• [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

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