在家制作世界上最便宜的粒子探测器,看见穿透你身体的宇宙射线

作者: 实验君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2018-05-11

本文介绍了如何在家用简单便宜的材料制作一个简易的粒子探测器,观察来自宇宙的射线。通过制作云室,可以观察到宇宙射线的轨迹,了解不同射线的特性。

每秒钟你的身体里都会穿过1万个来自宇宙的粒子。不过,因为你既看不见也听不见它们,因此你感知不到它们的存在。没有尖端物理学实验室的装置,我们就不能观察到这些来自宇宙的粒子了吗?这可不一定。实际上,用简单便宜的材料,你也可以在家制造一个简易的粒子探测器,观察来自宇宙的射线哦。

关键概念

云室、宇宙射线

材料和工具

一个透明的玻璃或者塑料盒子(比如鱼缸)

几块毛毡,或者干净的洗碗布

一块能够盖住塑料盒子的硬板(黑色和金属的为好,因为导热性比较强)

一个能放得下塑料盒子的水槽

异丙醇(isopropyl alcohol),就是一般的药用酒精,也叫药用火酒,价格便宜(75%浓度的,500毫升大概12元),某宝和药房有售

干冰几块(千万不要用手碰,可能会冻伤),价格便宜(一公斤大概10元),某宝有售

一副保护眼睛的眼镜,防止酒精蒸汽进入眼睛(可选)

一副取干冰的手套

手电筒

操作步骤

1. 把毛毡粘在塑料盒子底部。

2. 用酒精把毛毡浸湿,但不要滴水。

3. 把干冰放在水槽里,把黑色硬板盖在干冰上。

4. 把塑料盒倒过来盖在黑色硬板上。

5. 现在坐等10分钟,等毛毡里的酒精蒸发扩散到整个塑料盒子里。接触到干冰温度的酒精会冷却为液态。此时环境里轻微的扰动就会让盒子里出现云朵一样的现象,这就是“云室”这个名称的来源。

6. 把云室放到一个黑暗的房间里,打开手电筒观察云室里出现了什么?

实验原理检测宇宙射线的装置并不都像日内瓦大型强子对撞机(LHC)那样昂贵复杂。1938年,加州大学伯克利分校设计研发的连续灵敏云室(Continuously Sensitive Diffusion Cloud Chamber)就是利用酒精蒸汽检测宇宙射线的仪器,它也是我们今天实验的原型。云室里可能会看到的轨迹和对应的射线。

左下是α粒子,右上是高能电子或μ子,右下是质子和δ射线,中间是低能电子。在实验里你看到了什么?是不是看到了一些迷之轨迹,好像是小鬼在空气中划出的线条?实际上,这些线条中的大部分就是宇宙射线留下的痕迹。当宇宙射线射入云室的时候,它们会使一些分子的电子分离,让分子成为带电离子。异丙醇分子会和这些离子结合,形成液滴。这就是为什么宇宙射线留下飞机云一般的尾巴的原理。

为了观察到这种宇宙射线穿过的痕迹,你需要把云室放到黑暗的房间里,然后用一把手电筒照射云室,你就可以观察到宇宙射线的踪迹。实际上,你可能会观察到下面4种轨迹,它们是不同的射线形成的。1如果你看到又粗又短的轨迹,它们是放射性粒子α粒子形成的,不过它们并不来自太空,而主要来自地球上的氡元素。氡元素不是来自宇宙的物质,它是存在于我们的环境中的天然放射性元素。空气里有放射性元素?

别怕,因为氡在空气中的浓度很低,因此它的放射性还没有你家的花生酱强。氡气产生的α粒子比较大,能量比较低,因此会形成粗短的轨迹。氡气在云室里形成的轨迹。2又长又细的痕迹是μ子形成的。μ子是一类基本粒子,质量也比较大,因此它们在穿过分子构成的云室也会留下直线型的轨迹。3如果你看到一些婚庆彩带般的轨迹,它们是电子和正电子留下的。正电子是电子的反物质。

因为电子和正电子的质量比较小,因此它们会在空气分子间撞来撞去,留下之字形的轨迹。4如果你看到分叉的轨迹,那么恭喜你,你观察到了粒子衰变——不稳定的粒子变成更小的粒子的过程。

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