科学的科普（18）微观物理（4）射线对气体的影响B 

（一）

宇宙射线来自太空，是恒星等高温高压星体发出的等离子体，这些等离子体进入宇宙空间，浓度大大稀释，无法与其他离子粒子结合形成原子，所以在空间中仍旧保持离子状态。地球附近的粒子的动态变化被称为空间天气（space weather），目前科学家对空间天气进行观测，并做出预报。

宇宙射线来到地球之后，被地球磁场引导，以不同的角度进入大气层。在大气层上层，射线会像地球表面风吹走灰尘一样带走一些大气（大气剥离），称为散逸层。

进入大气层的粒子造成空气的电离并消失，其中的高能粒子会和气体分子碰撞产生次级粒子，称为广延大气簇射，这一层称为电离层。

电离现象不仅发生在电离层，少量离子会进入大气层底部的对流层。当地球外层空间离子增多时，如太阳风暴发生时，地表空气电离会导致电器（空气）短路，电器各处蹦出火花。

多数人都认为闪电是由于云朵的碰撞而引起，1992年，俄罗斯物理学家亚历克斯-古列维奇（Alex Gurevich）和安纳托利-克拉士丁（Anatoly Karashtin）提出闪电是因宇宙射线而引起。进入雷云的宇宙射线，使得雷云中的空气产生电离，进而便在周围产生出许多悬浮的自由电子。已在云层中的电场，则使自由电子带有更高的能量。当空气中的现有电子和水分子碰撞时，释放出更多的电子，古列维奇将其称之为高能量微粒的雪暴，最终产生一次“逃逸崩溃”，这种放电过程就是人们所认为的闪电。（争议中）

（二）

苏格兰物理学家和气象学家 John Aitken（(born Sept. 18, 1839, Falkirk, Stirlingshire, Scot.—died Nov. 14, 1919, Falkirk)是云物理cloud physics 和气溶胶科学aerosal science的奠基人。

他是一位博物学家，自1874年以来一直在研究云的形成条件。1880年，他发表了论文”关于灰尘、雾和云”（On Dust, Fogs, and Clouds），提出了如下观点

1， 水蒸气在空气中凝结时，一定是在固体凝结核上凝结。

2， 灰尘是固体凝结核

3， 如果空气中没有灰尘，就不会有雾、云、水汽，可能还有雨。

1880年，Aitken用不同厚度的棉花-羊毛过滤层过滤掉空气中的灰尘，发现无论过滤到什么程度，过饱和的蒸汽总会发生凝结（Wilson 1897-1899提出的结论与此类似）。不同饱和度的水汽都可以在灰尘（表面或固体表面，如玻璃表面）上凝结。

不同的灰尘引起水汽凝结的能力不同，燃烧后硫的各种化合物灰尘是最有效的造雾者fog-producer。（这就是工业时代早期燃烧煤造成雾都的原因之一）

必须指出的是，其他作者如Coulier and Mascart 1875年有类似的论文。

为了测量空气中凝结核的数量，Aitken制造了灰尘计数器（dust counter）。

首先，将一部分水倒入玻璃容器的底部，然后静置容器，等待水分子逐渐充满整个腔体。 

随后，让整个容器绝热膨胀，根据热力学第一定律，容器内气体的温度会降低，在玻璃容器中出现了云。水汽慢慢降落到上图中O所示的平台上，通过放大镜S观察平台上的水滴，水滴的个数即为平台上方空间中凝结核的个数。

1890-1894年间，Aitken在Ben Nevis峰气象站用灰尘计数器计数空气中凝结核的数量。

威尔逊Charles Thomson Rees Wilson， CTR Wilson，出生与1869年2月14日。1888年，威尔逊在剑桥的Sidney Sussex College获得奖学金，1892年，他是物理学专业的唯一毕业生。

大学毕业以后，找工作不容易，几经展转，他谋到一个给医学院学生物理实验课做实验演示的临时职位，糊口度日。1894年，威尔逊被任命为英国苏格兰Ben Nevis峰气象站的临时观测员，聘期为两周。从此开始了开挂的人生。

（三）

1894年，威尔逊被任命为英国苏格兰Ben Nevis峰气象站的临时观测员，聘期为两周。在这里，威尔逊接触到了气象学的云室和云形成条件的知识。

在山峰上他看到了壮丽的佛光(在西方称为布罗肯现象或布罗肯幽灵,英文：Brocken Phenomenon，布罗肯是德国一座山的名字)，希望在实验室里重现这一现象。

佛光 Brocken Spectre

1895年，在剑桥大学，威尔逊开始使用Aitken的方法在实验室内制作云雾。当玻璃容器的体积不断膨胀，超过原有体积的四分之一时，薄薄的云雾，竟然在没有灰尘的空气中形成了。 显然，这和 Aitken 当年得出的结论是不一致的（其实Aitken也注意到了这一现象，但是没有追下去）。

1895年，Rontgen伦琴发现了X射线，1896年Becquerel 贝克勒尔发现了天然放射性。汤姆逊和卢瑟福迅速调整了他们的研究方向。汤姆逊研究阴极射线并发现了电子，而卢瑟福转向了放射性。

1896年2月，威尔逊用X射线管旁边展示了云室，这次展示可能纯粹是为了好玩。

X射线导致云室中出现了浓雾，汤姆逊和卢瑟福认为动气电离形成离子，这些离子是云的凝结核。为了证明这一点，在云室中加入电极，离子被电极吸引从而到空气中消失，所以云雾不再产生。

1896-1910年间，威尔逊没有在这件事上有显著进展。也许他在等待粒子物理学的进展。

1910年，放射线研究发现阿尔法粒子是氦元素的核。威尔逊开始认真考虑用云室显示射线径迹，他制造了新型的云室（已经非常接近最后的版本），云室的直径大大增加，

将C瓶抽真空（一定程度的真空），移动B活塞联通C和云室活塞A，活塞下移（下移幅度通过支撑物D的高度调节）的同时联通放射源，云室出现径迹。

在云室的帮助下，人们开始了各种粒子的发现之旅。20世纪前半页，云室是主要的观测工具。

1923年康普顿（Arthur Holly Compton，1892一1962年）发现了X射线散射后波长变长的现象，即康普顿效应，他用光子与电子碰撞时动量与能量守恒定律作出解释。在人们对此将信将疑时，威尔逊用云室拍摄到的反冲电子的径迹，令人信服地证实了康普顿散射理论，为爱因斯坦光子说提供了实验依据。由于这项工作及他发明的云室，他和康普顿共获1927年度诺贝尔物理奖。

后来，人们利用威尔逊云室又发现了许多新型粒子。

首先是正电子positron 的发现。1932年，美国加州理工学院的C· D 安德森（Carl David Anderson，1883一1964年）利用威尔逊云室研究宇宙射线，在宇宙射线的云室照片中发现了正电子的径迹，这是利用云室发现的第一个反粒子—正电子，从而证实了狄拉克（P.A.M. Dirac）关于存在正电子的预言。安德森因此荣获1936年度诺贝尔物理奖。

1937年，安德森又用它发现了汤川秀树在1935年从理论上预言的（介）子。

1955年，我国科学家王淦昌和他的合作者利用大型云室发现了反西格马负超子。

1925年在卡文迪什实验室，布拉开特（M.S.Blackett，1897一1974年）在卢瑟福和威尔逊的指导下致力于用云室研究a粒子撞击氮原子核会发生什么现象，在两万多张云室照片中，有8张照片，证实了卢瑟福1919年所做的世界上最早实现的人工核反应实验。

1932年布拉开特（Patrick M.S. Blackett）和奥恰利尼（U.P.S. Occhialini）合作，用威尔逊云室研究宇宙射线。由于宇宙射线稀少，如果让云室随机地膨胀和拍照，大约每百张照片中只有2-5张上有宇宙射线的径迹，这使他们想到云室摄影的自动化问题。解决的办法是在竖直放置的云室上下两侧各置一盖革计数管，使得经过云室的宇宙射线必将先后穿过两个计数管。布拉开特设计了一种电路，只有从两个计数管来的讯号相藕合时才能触发云室的膨胀而产生记录照片。布拉开特用这种自动化技术控制云室摄影，约80%的照片上都有射线径迹。

他们通过对大约7 000张照片的分析，证实了几个月前安德森发现的正电子，直观地说明了正负电子对的产生和湮灭过程。1933年布拉开特转到伦敦大学伯克贝克学院担任教授，继续用云室方法研究宇宙射线，研制出用于云室的大面积匀强磁场装置，并用这台装置拍摄了大量宇宙射线径迹的照片。由于布拉开特对云室技术的改进及由此对核物理和宇宙射线的一系列新发现而荣获1948年度诺贝尔物理奖。

1950年代，云室被泡室（后讲）取代，此后云室对离子物理研究中角色逐渐暗淡下来，射线对云的影响也逐渐沉寂。

（四）全球变暖

射线既然在实验室中产生云，在自然条件下能否影响云量呢。1959年，Edward Ney首先提出了这个科学问题。

地球上空宇宙射线的主要贡献者是太阳。哥本哈根的Henrik Svensmark在1984-1995年一个太阳周期内，低空云量和太阳辐射、宇宙射线的相关关系引发了人们的兴趣。

由于相关性并不意味着因果关系，宇宙射线对全球变暖的影响（大小）存在很大争议contentious。但是仍然激发了人们的关注和研究热情。

有人提出更多的证据。2002年， Science 发表了一篇论文Cosmic Rays, Clouds, and climate.进行支持。 

2019年有论文对此进行反对。

（五）表演用云室

云室制作非常简单，到了可以手搓的程度。可以在家里自制云室看看自己身边的物品发出的放射线。

在购物平台上也可购买成品云室。

科学走进了寻常百姓家。