Изучая образование этого тумана, Вильсон обнаружил замечательный факт. Он нашел, что туман образуется не всегда. Если пространство в камере совершенно чисто и не содержит даже микроскопических пылинок, то, несмотря на сильное охлаждение камеры при выдвигании поршня, туман не образуется. Водяной пар остается паром, остается, как физики говорят, в переохлажденном состоянии. Но если в камере есть микроскопическая пыль, то пар превращается в жидкость, и притом тем охотнее, чем этой пыли больше. Изучив это явление ближе, Вильсон пришел к заключению, что каждая микроскопическая пылинка является тем центром, вокруг которого происходит конденсация (сгущение, превращение в жидкость) водяного пара. Вокруг каждой микроскопической пылинки образуется капелька воды. Но не только пылинки, плавающие в воздухе, могут служить такими центрами конденсации. Если в воздухе некоторое количество молекул ионизовано, т. е. если в нем есть некоторое число электронов и заряженных электричеством молекул (ионов), то конденсация пара происходит совершенно так же, как если бы там была микроскопическая пыль. Выходит, что не только крохотные твердые пылинки могут служить центрами конденсации, но и ионы (электроны и заряженные молекулы). Водяной пар может оседать на эти ионы, обволакивая их капельками воды. Если в каком-нибудь пространстве содержится переохлажденный водяной пар, который хотел бы сгуститься в жидкость, но не может вследствие отсутствия подходящих центров конденсации, то стоит только образовать в этом пространстве достаточно большое количество ионов (например, рентгеновскими лучами), как пар сейчас же оседает на этих ионах и возникает туман. По-видимому, образование тумана и дождевых капель в нашей атмосфере тоже связано с наличием в воздухе пыли и ионов.
В 30-е годы были проделаны многочисленные опыты, цель которых была - ускорить образование дождевых капель путем разбрасывания с самолета заряженного песка или заряженной пыли. Хотя эти опыты и не дали ценных для сельского хозяйства результатов (такой «искусственный дождь» над большой территорией потребовал бы слишком больших затрат), тем не менее действительно оказалось, что вокруг заряженных пылинок образуются дождевые капли. Этот механизм возникновения капелек дождя и мельчайших капелек тумана, исследованный Вильсоном еще в 1893 году, помог ему в 1911 году построить прибор, позволяющий «видеть атомы».
Идея Вильсона очень проста. Альфа-частица (или другая заряженная быстро движущаяся частица) влетает в камеру, в которой находится воздух с водяным паром. На пути этой частицы образуется большое количество ионов. Если очень быстро увеличить объем камеры (например, выдвигая поршень), то водяной пар охладится и сразу же осядет на ионах, которые густо усеивают путь прошедшей заряженной частицы. Вокруг каждого иона образуется крошечная капелька, но так как ионов очень много, то капельки сольются в целое ожерелье капелек, в длинную струйку воды. Эту струйку можно будет просто увидеть глазом, и можно будет, если мы только захотим, сфотографировать. Мы увидим «туманный след», который точно воспроизводит тот путь, по которому только что прошла заряженная частица. Мы увидим путь отдельной альфа-частицы или путь отдельного электрона! В спинтарископе Крукса мы видим гораздо меньше: там каждая альфа-частица отмечала вспышкой на экране только одну точку своего пути - точку пересечения пути с экраном,- а здесь мы увидим весь ее путь в целом.
Рис. 16. Схематическое изображение камеры Вильсона.
Мы сможем увидеть своими глазами, как пути быстрых альфа-частиц искривляются в сильном магнитном поле, мы сможем увидеть, как альфа-частица меняет направление своего движения, столкнувшись с каким-нибудь атомом, мы сможем увидеть все то, о чем атомная физика раньше говорила, не имея никакой возможности непосредственно проверить правильность своих слов. Поистине камеру Вильсона можно назвать одним из самых чудесных физических приборов, изобретенных в XX столетии.
Заимствуем из книги Резерфорда, Чедвика и Эллиса «Лучи радиоактивных веществ», вышедшей в Кембридже в 1930 году, подробное описание камеры Вильсона:
«Конструкция камеры, с которой работал Вильсон, видна на приложенном рисунке. Закрытая толстым стеклом цилиндрическая камера А, диаметром в 16,5 см и высотой в 3,4 см, представляет собой пространство, в котором получаются пути частиц. Расширение достигается поворотом вентиля В, который соединяет пространство под „полом" камеры с сосудом С, из которого предварительно удален воздух насосами (через стеклянную трубку, указанную на рисунке). При открывании вентиля „пол" камеры внезапно опускается до упора на резиновую подкладку. Деревянные цилиндры D служат только для того, чтобы объем воздуха, перемещающегося при расширении, был меньше. Вентиль В управляется с помощью маятника, который одновременно вызывает разряд мощной конденсаторной батареи через трубку с ртутным паром, где получается яркая вспышка, освещающая пространство внутри камеры настолько интенсивно, что получившиеся пути запечатлеваются на пластинке фотоаппарата[ 16 ], наведенного на внутренность камеры через стекло, которым она покрыта сверху.
Рис. 17. Схематическое изображение камеры Вильсона - Шимизу.
Камера все время наполнена насыщенным паром воды, так как ее крышка и дно покрыты тонким слоем влажного желатина. Между „потолком" и „полом" камеры при надобности может быть включено электрическое поле (с помощью батареи), служащее для того, чтобы убрать ионы, образовавшиеся в камере, и очистить ее для следующего опыта. При точной регулировке промежутка времени между расширением и вспышкой (фотографированием) эта камера позволяет получить очень резкие и ясные стереоскопические фотографии».
При изучении некоторых явлений необходимо иметь фотографии путей огромного множества альфа-частиц, иногда - до одного миллиона. В этом случае необходим прибор автоматического типа, который позволял бы производить много расширений камеры через очень короткие промежутки времени. Для этой цели Шимизу разработал простую конструкцию камеры, позволяющую последовательно производить большое количество снимков. Устройство камеры Шимизу изображено на рисунке. Точно пригнанный к цилиндру поршень качается в камере взад и вперед под действием мотора. Хотя расширение камеры этой конструкции происходит не так внезапно, как камеры конструкции Вильсона, все же в ней получаются прекрасные фотографии, если только позаботиться о том, чтобы альфа-частицы впускались в камеру лишь непосредственно перед тем, как поршень займет свое крайнее положение (максимальный объем камеры). Если применять электрическое ноле для очистки камеры от ионов, то она в состоянии работать, расширяясь каждые несколько секунд. Шимизу разработал метод одновременной съемки на движущейся пленке по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет определить расположение путей частиц в пространстве.
Фотографии, заснятые с помощью камеры Вильсона, приведены на рис. 15, а, б. На основании этих фотографий обыкновенно говорят, что удалось заснять летящие альфа-частицы. Это выражение не вполне точно, так как фотографировались собственно не сами альфа-частицы и даже не образованные ими ионы, а водяные капельки, осевшие на этих ионах при внезапном увеличении объема переохлажденных водяных паров. Но по этим водяным капелькам, густо расположенным на приблизительно прямой линии, можно заключить, что здесь только что пронеслась альфа-частица, подобно тому как вид потоптанных полей и дымящихся развалин свидетельствует о том, что через страну прошли полчища великого завоевателя.
Итак, мы познакомились с четырьмя способами «видеть невидимое», с четырьмя способами наблюдать действия отдельных альфа-частиц: способ вспышек, способ фотографический, способ ионизационной камеры Резерфорда и Гейгера, способ Вильсона[ 17 ].
Рассмотрим же те экспериментальные данные подсчета альфа-частиц, которые были получены в результате применения этих способов.