科学百科64期丨气泡室是怎样工作的？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第六十四个问题：气泡室是怎样工作的？

气泡室是探测亚原子粒子的一种装置，它是美国物理学家格拉泽在1952年发明的，结果，格拉泽获得了1960年的诺贝尔物理学奖。

气泡室实质上是一个液体容器，其中液体的温度高于这种液体的沸点。这时，液体处于高压状态，所以它实际上并不沸腾。但是，如果压力降低，液体就会沸腾，并在液体中出现蒸汽的气泡。

假定有一个像质子或介子这样的亚原子粒子冲进这样一个气泡室的液体中，它就会同液体中的原子和分子发生碰撞，并把自己的一部分能量转移给它们。因此，在这个液体中，亚原子粒子经过的路线上的原子和分子就会比其他原子和分子稍稍热一些。这样，如果降低液体所受到的压力，蒸汽的气泡就会先沿着亚原子粒子途径上留下能量的那条路线形成。因此，就会有一条可以见到的气泡径迹指示出那个粒子是从哪里经过的，这种径迹很容易拍成照片。

这种可见的径迹可以告诉物理学家许多情况，要是气泡室放在强磁体的两个磁极之间，就更是如此。那些能够留下气泡径迹的粒子总是带电的——带正电或带负电。如果它们带的是正电，那么，在磁体的影响下，它们的路径就会朝一个方向弯曲；如果它们带负电，它们的路径就朝相反的方向弯曲。物理学家从它们路径弯曲得厉害不厉害，就能确定它们的运动速率。从这一点，以及根据径迹的粗细等等，又能确定出那个粒子的质量。

当一个粒子衰变成两个以上的粒子时，它的径迹就会分叉。在粒子发生碰撞的情况下，径迹也会分叉。在一张特定的气泡室照片中，会出现大量径迹。有粒子相遇的，有粒子分开的，还有些是分叉的。有时在一个径迹图形的几个部分之间还有些空白，这些空白就必定要用某种不带电的粒子来解释，因为不带电粒子在气泡室中运动时不会留下可见的径迹。

各种径迹的这种复杂的组合对于原子核物理学家来说，就像雪地上各种动物留下的足迹对于有经验的猎人那样富有意义。从这些径迹的性质，物理学家就可以辨认出所碰到的是些什么粒子，或者指出他是否发现了某种全新的粒子。

格拉泽最初的气泡室的直径只有几厘米，但是，现在正在建造的气泡室却已成了庞然大物，直径达到几米，能够容纳以立方米计的液体。

气泡室所用的液体可以是各种各样的。有些气泡室里装的是液化的惰性气体，例如氙或氦。有些装的则是液化的有机天然气。

不过，对气泡室来说，最有用的液体却是液态氢。氢是已知的最简单的原子。每一个氢原子含有一个原子核（它只由一个质子构成），还有一个孤零零的电子绕着原子核旋转。因此，液态氢是只由一些孤立的质子和电子构成的。而所有其他液体的原子核，却都是由几个质子和几个中子堆集成的团块。

这样一来，在液态氢中发生的亚原子事件就特别简单，它们全都很容易从气泡所组成的径迹辨认出来。