鮑威爾的核乳膠技術(shù)和威爾遜的云霧室在檢測低能粒子時(shí)很有用，但要探測和確定一些高能粒子，在技術(shù)上就要要求能在比威爾遜云室更快和更長的路徑上做出記錄，同時(shí)還要克服鮑威爾核乳膠技術(shù)中無法把中性粒子與事件準(zhǔn)確聯(lián)系起來的困難。

　　

1910年，威爾遜通過顯示在飽和蒸汽中運(yùn)動的帶電粒子周圍的霧氣，揭示了這些粒子的徑跡。云霧室突然膨脹時(shí)，使蒸汽過飽和，液體就凝聚在帶電粒子在其運(yùn)動路徑上所留下的離子的周圍。在強(qiáng)烈的側(cè)射光照射下就可看到這種霧，就象我們看到的在高空飛行的飛機(jī)留下的蒸氣尾跡一樣。威爾遜云霧室有著光輝的歷史，尤其是它曾顯示了第一個(gè)人工蛻變的徑跡，中子引起的反沖質(zhì)子的徑跡，正電子和簇射的徑跡等等。云霧室氣體密度低是很大的缺陷，即單位體積中含有的物質(zhì)非常少。

　　

格拉塞和他的泡室

1952年，美國物理學(xué)家格拉塞（Donald Arthur Glaser，1926-）為如何探測高能粒子的運(yùn)動徑跡而冥思苦想，他往酒杯里倒啤酒時(shí)被啤酒中冒著的氣泡吸引，如果扔到杯中一個(gè)小粒子，氣泡會追隨正在粒子的運(yùn)動軌跡而形成。他由此受到啟發(fā)，用液體來取代威爾遜云霧室中的氣體，可使密度大約增加上千倍。他用了一種處于沸點(diǎn)溫度的液體，再使壓力突然降低，從而使液體處于其沸點(diǎn)以上的溫度，觀察在離子運(yùn)動路徑上形成的氣泡。他制成了世界上第一臺泡室，在乙醚液中顯示了宇宙射線粒子的徑跡。在他成功地觀察到第一批徑跡后，他又用不同的液體進(jìn)行試驗(yàn)。這以后泡室開始用于高能物理研究，泡室技術(shù)得到不斷發(fā)展。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(xiàn)，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(gè)創(chuàng)舉。他因此獲得了1960年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　

氣泡室是一種裝有透明液體（如液體氫、氦、丙烷、戌烷等）的耐高壓容器。它是利用在特定溫度下通過突然減壓使某種工作液體在短時(shí)間內(nèi)（一般為50毫秒）處于過熱的亞穩(wěn)狀態(tài)而不馬上沸騰，這時(shí)若有高能帶電粒子通過就會發(fā)生局部沸騰，并在粒子經(jīng)過的地方產(chǎn)生大量的氣泡，從而顯示出粒子的徑跡。根據(jù)徑跡的長短、濃淡等數(shù)據(jù)，便能清楚地分辨出粒子的種類和性質(zhì)。然后氣泡室又恢復(fù)至高壓狀態(tài)，氣泡立即消失，這樣氣泡室可以連續(xù)使用。氣泡室容積大小從數(shù)毫升到100升，所用液體為液氫、淮氙、乙醚、丙烷等；氣泡室的壓力從1個(gè)大氣壓到幾十個(gè)大氣壓。氣泡室因密度大、循環(huán)快，所搜集到的各種信息大約是云霧室的1000倍。

　　

氣泡室最有用的液體是液態(tài)氫，因?yàn)闅涫且阎淖詈唵蔚脑印Ｃ恳粋€(gè)氫原子含有一個(gè)原子核（它只由一個(gè)質(zhì)子構(gòu)成），還有一個(gè)孤零零的電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)。因此，液態(tài)氫是只由一些孤立的質(zhì)子和電子構(gòu)成的。在液態(tài)氫中發(fā)生的亞原子事件就特別簡單，很容易從氣泡所組成的徑跡辨認(rèn)出來，而所有其他液體的原子核，都由幾個(gè)質(zhì)子和幾個(gè)中子組成。

　　

物理學(xué)家可以從粒子的徑跡中了解許多情況，如氣泡室放在強(qiáng)磁體的兩個(gè)磁極之間，效果更好（下圖）。那些能夠留下氣泡徑跡的粒子總是帶電的——帶正電或帶負(fù)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(gè)方向彎曲；如果它們帶負(fù)電，它們的路徑就朝相反的方向彎曲；從它們路徑彎曲的程度可以確定它們的運(yùn)動速率，再加上徑跡的粗細(xì)等因素就能確定粒子的質(zhì)量。當(dāng)一個(gè)粒子衰變成兩個(gè)以上的粒子時(shí)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、分開的，還有分叉的。有時(shí)在一個(gè)徑跡圖形的幾個(gè)部分之間還有些空白，這些空白就要用某種不帶電的粒子來解釋，因?yàn)椴粠щ娏Ｗ釉跉馀菔抑羞\(yùn)動時(shí)不會留下可見的徑跡。物理學(xué)家從各種徑跡的復(fù)雜組合中可以辨認(rèn)出所碰到的粒子類型，或者發(fā)現(xiàn)某種新的粒子。

　　

阿耳瓦雷茨（Luis Walter Alvarez，1911-1988）與他的老師康普頓（Arthur Holy Compton，1892～1962）在芝加哥從事宇宙射線的研究中取得了一些重要成果。格拉塞發(fā)明氣泡室時(shí)，阿耳瓦雷茨很感興趣，決定建造一個(gè)規(guī)?？涨暗淖M液態(tài)氫的氣泡室。這是一個(gè)很大的技術(shù)計(jì)劃，阿耳瓦雷茨組織了一大批各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)專家，建造了一系列的氣泡室，其大小不斷增加，最大的達(dá)72英寸。格拉塞最初的氣泡室直徑只有幾厘米，阿耳瓦雷茨最初的氣泡室為500立升，以后的氣泡室卻逐漸成了龐然大物，有的甚至直徑達(dá)到幾米，能夠容納以立方米計(jì)的液體?，F(xiàn)在最大的氣泡室直徑達(dá)幾米，裝有上萬立升的液態(tài)氫。

 

阿耳瓦雷茨和他的氣泡室

 

阿耳瓦雷茨1959年建成的72英寸氣泡室

 

建于上世紀(jì)70年代的、直徑3.7米、高4米的歐洲大氣泡室BEBC

　　

氣泡室技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)和加速器差不多，是當(dāng)時(shí)研究基本粒子的最有效的工具之一。為了充分利用它們的功能，必須用半自動方式掃描成百萬張照片，掃描裝置的輸出送至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)任務(wù)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是建立該系統(tǒng)中的一項(xiàng)困難工作。將氣泡室和計(jì)算機(jī)連接起來能得到豐富的實(shí)驗(yàn)資料，大型實(shí)驗(yàn)室中取得的膠卷可分送世界各地的用戶反復(fù)研究，以期從這些原始材料中得到一些結(jié)果。由于阿爾瓦雷斯發(fā)展了氫泡室技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，他獲得了1968年諾貝爾物理獎。

　　

1953年，費(fèi)米（Enrico Fermi,1901-1954）與同事在美國芝加哥大學(xué)的同步回旋加速器上做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子—介子系統(tǒng)中的第一個(gè)共振態(tài)。氣泡室技術(shù)的發(fā)明，使物理學(xué)家有可能發(fā)現(xiàn)更多的共振態(tài)，大大促進(jìn)了粒子物理學(xué)的發(fā)展，人們首先在質(zhì)子—反質(zhì)子的湮沒中發(fā)現(xiàn)了一些共振（左圖），后來在各種反應(yīng)中出現(xiàn)了幾十個(gè)、幾百個(gè)共振。上個(gè)世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們一直在忙于尋找共振，直到今天，這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行。（左圖中 一對中性Λ粒子和反Λ粒子在氫泡室中產(chǎn)生和衰變的照片。圖右面的Λ衰變成一個(gè)質(zhì)子(p)和一個(gè)負(fù)π介子(π-)。左邊的反Λ衰變成一個(gè)反質(zhì)子(p-)和一個(gè)π介子(π+)。反質(zhì)子擊中液態(tài)氫中的一個(gè)質(zhì)子時(shí)，反質(zhì)子就湮滅成四個(gè)π介子）

　　

　?。ǜ吣芩萍继幹谱?資料來自科學(xué)普及出版社、三思科學(xué)、科技之光等）