今天要介紹的是我在東京上野的國立科學博物館(日本語:国立科学博物館)的地球館,地下三樓看到的展示品:雲室(英文:Cloud Chamber. 日本語:霧箱きりばこ)。這個裝置可以看到\宇宙射線/,或是帶電荷的放射線粒子的軌跡。沒錯,就是大家聞之色變的「游離輻射」的軌跡。
宇宙射線聽起來好潮。直接看影片吧。
影片我在東京上野的科學博物館拍的小短片加以編輯這樣。
裡面一條一條的白色軌跡就是「電荷的放射線粒子的軌跡」。一般雲室大致可以看到三種放射線粒子的軌跡:α粒子、β粒子和渺子。

雲室的基本構造
最簡單的雲室,就是一個密封的環境,裡面充滿過飽和的水蒸氣或酒精。一般實驗上大多用99%的乙醇。
不過要怎麼讓裡面充滿過飽和的酒精呢?一般來說有兩個方法,
第一是減壓(Wilson cloud chamber)
這種雲室是最早被發明出來的,也就是「威爾遜雲室」。可以想像雲室就是一個很大的活塞,拉開活塞讓盒子的體積變大,裡面溫度降低後,就會產生過飽和的氣體。優點是整個盒子都會有過飽和氣體產生,整個箱子空間都可以觀察放射粒子的出現。
缺點是裝置製作複雜,只有在「膨脹」時可以觀測到放射線,要連續觀測的話間隔要5分鐘以上。
另外一個是利用「溫度梯度」
冷卻裝置的底部,讓裝置內部溫度處於「上溫下冷」的狀態,在上方的酒精蒸氣遇冷慢慢沉降時,因為飽和蒸氣壓隨溫度下降的緣故,就會變成過飽和狀態。優點是可以持續觀測不用等氣體膨脹降溫。缺點就是過飽和蒸氣只會在冷卻表面的上方數公分形成,能觀測的體積較小。
雲室裡的白色軌跡怎麼形成的?
過飽和溶液,包含氣態溶液,的最大特徵是只要有一點點「可以造成他凝結的東西」,也就是「凝結核」出現,就很容易凝結析出。
帶電粒子射線穿過雲室時,撞擊到內部氣體分子如氮氣、氧氣分子時,被撞擊的分子被撞到失去一個電子而帶電。此時帶電荷的分子會吸引乙醇分子(有極性),形成「凝結核」,讓乙醇氣體分子聚集,形成肉眼可見的小液滴。

上野的國立科學博物館的雲室

位於東京上野的國立科學博物館地球館地下三樓的大型霧箱展示品在日本國內是前幾名的大。雖然放在地下三樓很不起眼的位置,距離地表也有20多公尺,原本館方還擔心放在這麼深的地方真的有宇宙射線會通過嗎?所以還事先做了一個小型的雲室實驗,結果發現還是有很多射線從地底穿過啊。
其實除了宇宙射線,生活上幾乎到處都有會放出游離輻射的物質。就連大家一般呼吸的空氣裡面都有非常微量的放射性氣體「氡氣,(Rn)」,或是鋼筋等等金屬製品,裡面或多或少都會有放射線物質。今天跟大家分享的霧室本身的材料也可能會有。
但是大家不用擔心,這就是所謂的「背景輻射」,劑量是非常非常低的,對人體不會造成任何危害。
一般來說在演示雲室實驗的時候都是用乾冰冷卻底部,但因為科學博物館裡面的是常態展示,不可能隨時都去換乾冰,所以用的是超大台的冷卻裝置。

心得
我第一次知道「雲室」這個東西,是因為YouTube推薦給我下面這個影片:
當時看了真的是覺得 哇~~這是什麼神奇的東西!放射線可以這樣就偵測到嗎?!我好想玩看看。影片裡他直接放了一個有放射性的礦石,所以可以看到一堆白線衝出來啊!!好想親眼看看!
沒想到去日本玩的時候可以親眼看到這個神奇裝置,真的是讓我又驚又喜。我真的覺得看著裡面一條一條白白的軌跡出現又消失真的超級療癒,要不是去玩的時候要走行程,我可以一整天站在霧箱前面看整整一天可能都沒問題。去國外玩就要看這種國內沒有的東西啊!
台北天文館有一個類似的裝置,是宇宙射線偵測箱,但是他比較像是讓被放射線撞到而離子化的氣體分子在強電場下被加速,被加速的離子就會很快的劃過偵測器內部,還會發光外加ㄅㄧㄩˋ一聲,非常炫砲。但我還是比較喜歡傳統的雲室啊!
真希望台灣的科學博物館也可以設置雲室啊!!
參考資料
(2)英文版wikipedia Cloud Chamber條目
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