查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊

英国物理学家

查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson，1869年2月14日—1959年11月15日），英国著名物理学家、威尔逊云雾室的发明者。威尔逊1892年毕业于剑桥大学西得尼·萨赛克斯学院，后在剑桥大学一面做实验研究，一面当医学系的实验演示员。1895年，他设计了一套设备，使水蒸气冷凝来形成云雾。1912年，威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备，使它成为研究射线的重要仪器。用这个云室拍摄了α粒子的图象。1927年，威尔逊因发明云室而与康普顿同获诺贝尔物理学奖。

人物经历

1869年2月14日，威尔逊出生于苏格兰爱丁堡附近的格伦科西，其父是个农庄主。当威尔逊只有4岁时，父亲就去世了。后来威尔逊随同他的母亲迁居曼彻斯特。年轻时，威尔逊在曼彻斯特受教育，学习过地质学、植物学与动物学。他原想当医生，所以在欧文斯学院(现为曼彻斯特大学)时还学习生物学。1888年，威尔逊转学到剑桥大学(Sussex学院)，在这里，他对物理学与化学发生浓厚的兴趣。

1892年毕业于剑桥大学西得尼·萨赛克斯学院，后在剑桥大学一面做实验研究，一面当医学系的实验演示员。当时卢瑟福等一些青年科学家都是剑桥大学卡文迪许实验室的研究生，威尔逊经常和他们一起参加茶余饭后的讨论。

1894年，威尔逊在英国第一高峰苏格兰的本内维斯峰的天文台度过了几个星期的时间。在那里，他看到了阳光返照云彩的奇景，使他想在实验室中再现它们，这就使他走上了发明云室（又称云雾室）的道路。

1895年，他设计了一套设备，使水蒸气冷凝来形成云雾。当时人们认为，要使水蒸气凝结，每颗雾珠必须有一个尘埃为核心。威尔逊仔细除去仪器中的尘埃后发现，无需尘埃，而用X射线照射云室时，云雾立即出现，这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。?经过四年研究，他总结出，当无尘空气的体积膨胀比为1.25时，负离子开始成为凝聚核心；当膨胀比为1.28时，负离子全部成为凝聚核心。对于正离子来说，膨胀比为1.31时开始成为凝聚核心，膨胀比为1.35时全部成为凝聚核心。另一方面，他还指出，离子的电荷对水蒸气分子产生作用力，有助于雾珠的扩大。1896年获得物理学博士学位。

1900年，威尔逊博士担任剑桥大学物理学讲师和物理学演示法教学者；1912年，威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备，使它成为研究射线的重要仪器。用这个云室拍摄了α粒子的图象；1913年在气象台担任气象物理观测员；1916年起，研究闪电。1918年成为大气电学的讲师;1925年教委任为剑桥大学杰克逊(Jackson)讲座自然哲学教授，一直到1934年。1895年以后，威尔逊的研究涉及到大气电学问题，特别是下雨和下雪时的放射性现象，也涉及应用金箔静电计测量大气电学问题。他想使基本粒子的径迹处于可见状态，乃至于可以拍成照片，于是作了一个杰出的实验，让放射性物质发射出来的粒子，穿过具有过饱和水蒸汽的空气，从而使粒子的径迹呈现为细小而又可见的云雾状线条。据说1894年，威尔逊在海拔4000多米的尼维斯山顶旅游时，发现高山之巅很容易形成奇丽的迷茫雾景，便引起极大兴趣。经过艰苦的研究，他终于知道了这是气压较低，的缘故。1895年，这位眼光锐利、头脑敏捷的气象学家在卡文迪许实验室中设计一种方法使潮湿空气在紧闭的容器内绝热膨胀，从而使空气冷却，变成过饱和，让水分凝结在尘粒上。他试图通过这种方法从实验室中复制出山顶上某些云雾效应所造成的那样一幅美丽的自然图景。继而，他费尽心思从理论上研究雾点的成因。当他得知X射线的发现时，他便联想空气中离子的存在可能导致云雾的形成。他作了实验，并在云雾室中找出由辐射留下的凝结水滴的轨迹。经过不懈努力，他终于发现雾点是由于水蒸汽附着在带电粒子上而形成的。十一年之后，威尔逊所发明的云雾室装置经过不断改选已经达到完善的地步。实践表明，云雾室在研究核物理中是不可缺少的工具，它还导致了后来汽泡室的发展。

在漫长的90年的生活中，威尔逊在其他方面也有很大贡献。1956年，年已87高龄的威尔逊教授还发表了雷电的理论。他一生中，由于成绩显赫，获得了各种荣誉与勋章；1900年被选为皇家学会成员；1911年获得休斯奖章；1922年获得皇家奖章；1920年获得剑桥哲学学会的霍普金斯奖金；1921年获得爱丁堡皇家学会的冈宁(Gunning)奖金；1925年获得富兰克林研究所的霍华德·波茨(Howard Potts)奖章；1927年与美国物理学家康普顿分享诺贝尔物理学奖金。1937年由英国女王指定为勋爵。他发明的威尔逊云雾室，已广泛地应用于放射线、X射线、宇宙射线和其他核现象的研究。

1959年11月15日威尔逊在英国去世，享年90岁。

个人生活

威尔逊出生在苏格兰爱丁堡郊外，他的家人在那里从事农民工作。他已婚，有四个孩子。

研究方向

威尔逊在英国曼彻斯特学习动物学、植物学和地质学后，他继续在剑桥学习物理和化学。在剑桥，他对气象学产生了兴趣，并开始在卡文迪什实验室研究他的云室。

主要成就

如果空气和水蒸气混合物的体积增加，就会形成小水滴。如果空气中含有带电粒子 - 离子 - 那么液滴的形成尤其发生在这些粒子周围。C.T.R. Wilson在1911年建造他的云室时利用了这一现象 - 一个装有空气和水蒸气的玻璃容器以及巧妙的装置，可以使电离辐射留下的痕迹和通过腔室的粒子变得可见并被拍照。云室成为物理学中的重要工具。

威尔逊于1911年制造的第一个云雾室，现在看来是比较简单的，然而却是攻克现代科学堡垒的相当有用的一件锐利武器，尤其是早期对基本粒子的研究更是不可缺少的。因为有了它，观察带电基本粒子或离子的运动径迹才成为可能。也正因为有了它，才打开了洞察微观世界的窗户。利用威尔逊云雾室取得的最重要的成就有：康普顿利用它演示康普顿反冲电子的存在，从而毫无疑问地证明康普顿效应的正确队，康普顿因此于1927年与威尔逊分享诺贝尔物理学奖金；安德逊利用威尔逊云雾室从宇宙射线中法现正电子的存在，证实了狄拉克的理论预言，由于这一功绩，安德逊于1936年获得诺贝尔物理学奖金的一半；布菜克等人利用威尔逊云雾室做了关于电子和正电子同时产生和消失过程的可见演示，后来布莱夫由于进一步发展云雾室和由此而来的发现也于1948获得诺贝尔物理学奖金；科克洛夫特等人所做的原子核衰变，也是依靠了威尔逊云雾室的帮助。以上所举事实证明，如果没有威尔逊云雾室，许多重要的原子核物理现象的揭露和研究都是不可能的。

威尔逊还研制了灵敏静电计，用拴住的气球升到不同高度测量大气中的电场，发现在晴朗的天空中，总存在方向指向地面的电场，电位梯度为100V/m～200V/m，整个地球的负电荷总量约为5×105 C。威尔逊从他的云室研究中知道负电荷核心聚集的水滴较大，他认为雨云一定是顶部带正电，底部带负电的，因此雨水落下来使地球带负电。

所获荣誉

1900年被选为皇家学会成员；1911年获得休斯奖章；1922年获得皇家奖章；1920年获得剑桥哲学学会的霍普金斯奖金；1921年获得爱丁堡皇家学会的冈宁(Gunning)奖金；1925年获得富兰克林研究所的霍华德·波茨(Howard Potts)奖章；1927年于美国物理学家康普顿分享诺贝尔物理学奖金。1937年由英国女王指定为勋爵。

社会任职

威尔逊从1925年起留在剑桥，担任悉尼苏塞克斯学院的自然哲学教授。退休后他回到苏格兰。

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