你是否有為孩子做科學實驗的困擾？現在有機會讓你的孩子成為班里最靚的仔。自己動手，來一把粒子物理探測實驗，用不太復雜的操作就能看到基本粒子在客廳中穿梭的徑跡！

雖然用肉眼看不到，但基本粒子作為背景輻射卻時刻在我們身邊。天然的背景輻射（簡稱天然輻射）源包括宇宙射線 ，巖石中元素的放射性衰變 ，還有生物體中放射性元素的衰變（比如香蕉中的鉀-40）。宇宙射線是極高能量的亞原子粒子（主要是伴隨有電磁輻射的質子和原子核），它們穿過太空，飛向地球。當它們撞擊地球的大氣層時，會與大氣層中的粒子發生散射，產生次級粒子穿過大氣層來到地球表面。當宇宙射線穿過云層時，會產生肉眼可見的幽靈般的粒子軌跡。

提到粒子探測，近年來科學新聞里最常提到的應該是歐洲核子研究中心的大型強子對撞機 (Large Hadron Collider)，這也是目前粒子物理領域最頂尖的大科學裝置。這個探測器的規模是超出我們想象的：它們重達數千噸，包含數百萬個探測單元，是由數千名科學家組成的國際合作組共同支持的研究項目。

但粒子探測器并不總是那么龐大和復雜。有些粒子探測器可以非常簡單，重達千噸的LHC也是從最簡單的探測器開始發展起來的。云室是最古老的粒子探測器之一，粒子物理學歷史上的多項發現都與其有關，它還直接導致了兩項諾貝爾獎的誕生。英國物理學家查爾斯·威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson，1869-1959），本想研究潮濕空氣中的云的形成和光學現象，卻無意中發明了云室——第一臺粒子探測器。他于 1911 年完善了第一個（擴展）云室，并于 1927 年獲得諾貝爾獎。美國物理學家卡爾·安德森（Carl David Anderson，1905-1991） ，在 1932 年和 1936 年使用膨脹云室發現了正電子和繆子，他因發現了正電子獲得1936年諾貝爾獎。

云室對早期亞原子粒子的研究是非常重要的，隨著觀測技術以及加速器的不斷發展，這樣原始的探測器留在了歷史長河中。但通過觀測粒子的軌跡來研究粒子性質這一方法，至今仍應用在大型加速器上，是粒子物理領域最重要的研究手段之一。追隨歷史足跡，威爾遜單槍匹馬就能搭建云室，意味著我們也有機會在自己家里打造一個云室，在家里就可以實現對粒子軌跡的觀測。

今天，我們介紹一個家庭版云室探測器的制作方法，利用蒸發的酒精制造出一種“云”，以實現對粒子的觀測。

首先，我們先來了解一下云室具體的工作原理。

當帶電粒子在空氣中運動時，它會與大氣分子發生碰撞，而使空氣分子發生電離。氣體分子被電離后會吸引極性分子（水和酒精都是極性分子）。這時，如果周圍是極性分子的過飽和蒸氣，極性分子就可以以電離后的氣體分子為凝結核而液化。這樣極性分子不斷聚集，會形成肉眼可觀察到的云霧狀微小液滴。所以，如果我們看到了“云霧”的痕跡，就說明看到了粒子的運動軌跡。

為了能在實驗中觀察到上述的現象，我們需要在一個密閉容器里充滿極性分子的過飽和蒸汽來制造“云”，以此建造我們的“云室”。過飽和蒸氣是指在一定溫度下超過飽和蒸氣應有的密度而仍不液化或凝華的蒸氣，它的特點是不穩定，如果出現凝結核就會液化或凝華。形象地說，就像在涼爽的秋天早晨草葉上的露珠，容器中過飽和蒸汽會在它可以粘住的任何物體上形成云狀液滴。

云室可以由不同類型的過飽和蒸氣來實現，我們這里用酒精或者異丙醇。在一個密閉的容器內，使容器頂部溫熱并且底部冷。溫暖的頂部將酒精/異丙醇汽化，汽化后的蒸氣在底部液化，這樣在容器的底部就易形成過飽和蒸氣。當粒子帶電粒子通過蒸氣時，會使空氣分子電離。蒸氣中的酒精/異丙醇是極性分子，它們會被吸引到電離粒子的周圍。然后凝結成云霧狀滴落到容器底部。云室內形成的軌跡，可能看起來就像飛機的軌跡一樣——細長的線條標志著粒子粒子穿過云室的路徑。

建造云室需要如下的材料和幾個簡單的步驟：

• 密閉的容器：透明的塑料或玻璃容器（如魚缸）。容器必須保持密閉才能保證酒精處于過飽和蒸汽狀態；
• 異丙醇或酒精（濃度90% 或更高）。處理時帶上護目鏡，請避免兒童觸碰；
• 毛氈，也可用海綿或一次性紙巾等能吸水的材料。酒精和異丙醇易受熱揮發，為了讓密閉容器內充滿足夠的過飽和蒸汽，需要毛氈吸收足夠量的酒精或異丙醇。
• 固定裝置。要將毛氈固定在密閉容器內，根據你的實際容器選用。因為容器內是異丙醇或酒精蒸汽，會使膠水溶解失效。可以用口香糖或者黏土
• 干冰（固態二氧化碳，網購可買到）。這是為了讓容器底部保持低溫狀態，處理干冰時請戴上厚手套；（注：如果你想嘗試不用干冰的方法，見參考資料^[5]）
• 一個盛放干冰用的扁平的容器和蓋子。但注意不要太深而擋住視線。
• 足以覆蓋容器蓋子大小的黑色的金屬板或黑紙。黑色可以吸收光線消除反射，有利于觀察粒子產生的軌跡。金屬板有更好的導熱效果使密閉容器下端保持低溫。

• 照明設備

• 短而粗的軌跡

• 長而直的軌跡

• 卷曲路徑

• 有分叉的軌跡

• 比較常見的如堅果、香蕉、粘土，都是生活中的放射源，請將其放在云室附近，觀察輻射增加會有什么影響？
• 云室為測試屏蔽輻射的方法提供了極好的機會。在放射源和云室之間放置不同的材料：水，一張紙，金屬片，我們的手等各種材料。哪種材料的防輻射效果更好呢？

• 嘗試在云室中加上磁場。將磁鐵放在云室旁，觀察帶正電荷和負電荷粒子將在相反的方向上彎曲。

[1] https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1745504

[2] https://scoollab.web.cern.ch/sites/scoollab.web.cern.ch/files/documents/20200521_JW_DIYManual_CloudChamber_v7.pdf

[3] https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/how-to-build-your-own-particle-detector

[4] https://www.symmetrymagazine.org/article/september-2014/detectors-in-daily-life

[5] https://www.youtube.com/watch?v=gt3Ad5_Z5IA