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“啤酒之花”與氣泡室

2008-12-29 00:00:00邱莉華
中學(xué)生百科·悅青春 2008年5期


  1952年的一天,美國物理學(xué)家格拉塞在緊張工作之余,打開了一瓶啤酒,看見冒出的一串串氣泡漸漸消失了。格拉塞不禁有了這樣一個問題:難道再也不能產(chǎn)生氣泡了嗎?
  于是,他隨手將一粒沙子扔進啤酒瓶,只見沙子下沉?xí)r,周圍又不斷產(chǎn)生出氣泡;他又扔下一小撮沙子,啤酒像沸騰了似的產(chǎn)生出大量氣泡。要知道,啤酒中的氣泡是壓力作用下溶在啤酒里的二氧化碳氣,一旦打開瓶蓋,壓力減低,二氧化碳氣就從啤酒中逸出。剛冒完氣泡的啤酒還處在不穩(wěn)定狀態(tài),遇到沙子的擾動,就會繼續(xù)產(chǎn)生氣泡。
  沙子使啤酒繼續(xù)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象,就如暗夜里驟然亮起一星耀眼火花,點燃了格拉塞的靈感——何不將“沙子投入不穩(wěn)定狀態(tài)啤酒液,能激發(fā)啤酒液再度釋放二氧化碳氣泡”這種現(xiàn)象轉(zhuǎn)用到:如何捕捉射進液態(tài)氫中的帶電粒子的實驗中去呢?
  格拉塞高興地跳了起來,迅速投入了新一輪的實驗中。這一回,他用透明的液態(tài)氫代替啤酒,用耐高壓的密封容器代替啤酒瓶……
  實驗非常成功。當原子核釋放出的高能帶電粒子流穿過“啤酒瓶”時,沿途的液態(tài)氫像沸騰了一樣,產(chǎn)生了許多小氣泡,使粒子的飛行軌跡清晰可見。由此實驗,格拉塞終于制造出劃時代的專門用以測量高能粒子流運行軌跡的“氣泡室”,并因此榮獲了1960年度的諾貝爾物理學(xué)獎。
  氣泡室實質(zhì)上是一個液體容器,其中液體的溫度高于這種液體的沸點。這時,液體處于高壓狀態(tài),所以它實際上并不沸騰。但是,如果壓力降低,液體就會沸騰,并在液體中出現(xiàn)蒸氣的氣泡。
  假定有一個像質(zhì)子或介子這樣的亞原子粒子沖進這樣一個氣泡室的液體中,它就會同液體中的原子和分子發(fā)生碰撞,并把自己的一部分能量轉(zhuǎn)移給它們。因此,在這個液體中,亞原子粒子經(jīng)過的路線上的原子和分子就會比其他原子和分子稍稍熱一些。這樣,如果降低液體所受到的壓力,蒸氣的氣泡就會先沿著亞原子粒子途徑上留下能量的那條路線形成。因此,就會有一條可以見到的氣泡軌跡指示出那個粒子是從哪里經(jīng)過的,這種徑跡很容易拍成照片。
  這種可見的徑跡可以告訴物理學(xué)家許多情況,要是氣泡室放在強磁體的兩個磁極之間,就更是如此。那些能夠留下氣泡徑跡的粒子總是帶電的——帶正電或帶負電。如果它們帶的是正電,那么,在磁體的影響下,它們的路徑就會朝一個方向彎曲;如果它們帶負電,它們的路徑就朝相反的方向彎曲。物理學(xué)家從它們路徑彎曲得厲害不厲害,就能確定它們的運動速率。從這一點,以及根據(jù)徑跡的粗細等等,又能確定出那個粒子的質(zhì)量。
  當一個粒子衰變成兩個以上的粒子時,它的徑跡就會分叉。在粒子發(fā)生碰撞的情況下,徑跡也會分叉。在一張?zhí)囟ǖ臍馀菔艺掌?,會出現(xiàn)大量徑跡。有粒子相遇的,有粒子分開的,還有些是分叉的。有時在一個徑跡圖形的幾個部分之間還有些空白,這些空白就必定要用某種不帶電的粒子來解釋,因為不帶電粒子在氣泡室中運動時不會留下可見的徑跡。
  各種徑跡的這種復(fù)雜的組合對于原子核物理學(xué)家來說,就像雪地上各種動物留下的足跡對于有經(jīng)驗的獵人那樣富有意義。從這些徑跡的性質(zhì),物理學(xué)家就可以辨認出所碰到的是些什么粒子,或者指出他是否發(fā)現(xiàn)了某種全新的粒子。
  氣泡室在高能物理研究中起了重要的作用,人們借助它與高能加速器聯(lián)用發(fā)現(xiàn)了許多基本粒子以及100多種共振態(tài)。氣泡室的發(fā)明是格拉塞對高能物理學(xué)做出的杰出貢獻,它為粒子物理研究開拓了新的領(lǐng)域,在原子核科學(xué)技術(shù)史上也是一個創(chuàng)舉。
  任何一項科學(xué)研究都離不開生活。格拉塞正是把科學(xué)研究中的問題,與生活中的喝酒聯(lián)系起來,從而得到了啟迪,完成了自己的實驗課題,并榮獲諾貝爾獎。
  編輯/李章

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