Παρασκευή, 14 Φεβρουαρίου 2020

Σαν σήμερα... 1869, γεννήθηκε ο δημιουργός του "θαλάμου νέφους", C.T.R. Wilson.


Charles Thomson Rees Wilson (1927)

Σαν σήμερα, στις 14 Φεβρουαρίου 1869 ημέρα Παρασκευή όπως και φέτος, γεννήθηκε  στην ενορία του Glencorse, νότια του Εδιμβούργου, ο Charles Thomson Rees (C.T.R.) Wilson που είναι περισσότερο γνωστός για τον θάλαμο που φέρει το όνομά του (cloud chamber Wilson, θάλαμος νέφους Ουίλσον) και χρησιμοποιείται στη μελέτη της ραδιενέργειας, των ακτίνων Χ, των κοσμικών ακτίνων και άλλων πυρηνικών φαινομένων.   

Ο πατέρας του, John Wilson, ήταν αγρότης κτηνοτρόφος. Οι πρόγονοί του ήταν επίσης αγρότες για πολλές γενιές, προερχόμενοι από τα νότια της Σκωτίας. Μητέρα του ήταν η  Annie Clerk Harper.
Σε ηλικία τεσσάρων ετών έχασε τον πατέρα του και η μητέρα του με την οικογένεια μετακόμισε στο Μάντσεστερ.

Ο C.T.R. Wilson το 1889. 
(αρχείο της Royal Society)

Εκεί, αρχικά εκπαιδεύτηκε σε ιδιωτικό σχολείο και αργότερα γράφτηκε στο Owen'College (το σημερινό Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ). Θέλοντας να σπουδάσει γιατρός, ο Wilson ξεκίνησε με βιολογία. Έχοντας πάρει μια αρχική υποτροφία το 1888, προτίμησε να συνεχίσει στο Κέιμπριτζ (Sidney Sussex College), απ’ όπου πήρε το πτυχίο του το 1892. 
Στη διάρκεια των σπουδών του στο Κέιμπριτζ έδειξε ενδιαφέρον για τις φυσικές επιστήμες. Είναι πιθανόν, στην απόφασή του να εγκαταλείψει τελικά την ιατρική, να έπαιξε ρόλο και ο Balfour Stewart, καθηγητής Φυσικής στο Owen College εκείνη την εποχή.

Το εργαστήριο του Wilson στο Κολέγιο Sidney Sussex.

Στα τέλη του καλοκαιριού του 1894, ο Wilson ευρισκόμενος στο αστεροσκοπείο στην κορυφή Ben Nevis, ενός από τα υψηλότερα βουνά της Σκωτίας, είχε την ευκαιρία να θαυμάσει την ομορφιά των «coronas» («κορώνες») και των "glories" (οπτικά φαινόμενα από τη δημιουργία χρωματιστών δαχτυλιδιών γύρω από σκιές που περιβάλλουν την ομίχλη και τα σύννεφα), με αποτέλεσμα να αποφασίσει να προκαλέσει την αναπαραγωγή αυτών των φαινομένων στο εργαστήριο, κάτι που κατάφερε στις αρχές του 1895. 
(Σ’ ένα άρθρο του 1959, ο ίδιος θυμάται: "Αναμφίβολα, όλη η επιστημονική μου δουλειά προήλθε από πειράματα στα οποία οδηγήθηκα απ’ ό,τι είδα το δεκαπενθήμερο στο Ben Nevis").

Δημιουργία ενός ηλιακού "glory". 

Μετά από εργαστηριακή δουλειά λίγων μηνών στο Εργαστήριο Cavendish και μέσα από την προσεκτική και διεισδυτική παρατήρησή του κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι λίγες σταγόνες που εμφανίζονταν ξανά και ξανά, κάθε φορά που αύξανε έναν όγκο υγρού, χωρίς σκόνη αέρα, ήταν αποτέλεσμα συμπύκνωσης γύρω από τους πυρήνες που δεν σταματούσαν να παράγονται - ίσως τα ιόντα να ήταν αυτά που προκαλούσαν την "υπολειπόμενη" αγωγιμότητα της ατμόσφαιρας.
Το 1896 διεξήγαγε ένα σημαντικό πείραμα. Άφησε μια ποσότητα υγρού αέρα να διασταλεί μέσα σε ένα δοχείο. H διαστολή μείωσε την θερμοκρασία, με αποτέλεσμα ο αέρας να μην μπορεί να συγκρατήσει όλη την υγρασία. H περίσσεια εμφανίσθηκε ως σταγονίδια νερού, τα οποία σχημάτισαν ένα μικρό νέφος. Με αυτό τον τρόπο διαπίστωσε ότι η παρουσία σωματιδίων σκόνης ή ιόντων ευνοεί τον σχηματισμό σταγονιδίων νερού και επομένως και νεφών. 

Φοιτητές του Εργαστηρίου Cavendish, το 1897.
Από τους όρθιους, 2ος από αριστερά ο CTR Wilson.
3ος από δεξιά (καθισμένος) ο καθηγητής J. J. Thomson.

Στην πορεία των πειραμάτων του, ο Wilson σκέφθηκε ότι η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας θα παράγει ιόντα κατά την διέλευση της μέσα από την ατμόσφαιρα. Αν ο αέρας μέσα στο δοχείο του ήταν εντελώς απαλλαγμένος από σκόνη, θα μπορούσε να αυξήσει σε μεγάλο βαθμό την υγρασία του, χωρίς να σχηματισθούν σταγονίδια νερού, αφού δεν θα υπήρχαν σωματίδια σκόνης για να χρησιμεύσουν ως «πυρήνες» υγροποίησης. Αν τώρα διέλθει από τον θάλαμο ένα σωματίδιο υψηλής ενέργειας και ο θάλαμος υποστεί διαστολή, θα σχηματισθούν σταγονίδια νερού γύρω από τα ιόντα που θα έχουν δημιουργηθεί από την διέλευση του σωματιδίου. Έτσι θα είναι δυνατός όχι μόνο ο εντοπισμός του σωματιδίου, αλλά και ο προσδιορισμός της τροχιάς του. Τέλος, τοποθετώντας αυτό το θάλαμο νέφωσης μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, η καμπύλωση της τροχιάς του σωματιδίου θα δείξει την φύση του ηλεκτρικού του φορτίου και θα δώσει πληροφορίες για τη μάζα του. O θάλαμος θα μπορεί επίσης να δείξει τις συγκρούσεις σωματιδίων με μόρια και άλλα σωματίδια και να δώσει πληροφορίες για τα γεγονότα που συμβαίνουν πριν και μετά την σύγκρουση.

Εικόνες από θάλαμο νέφους που πήρε ο Wilson το 1912:
(α) ιονισμού, που παράγεται από κυλινδρική δέσμη ακτίνων Χ 

με διάμετρο περίπου 2 mm, που διέρχεται από δεξιά 
προς τα αριστεράκαι (β) μεγενθυμένες διαδρομές ιόντων, 
που σχηματίζονται με ακτίνες Χ.
(αρχείο της Royal Society)

Στις αρχές του 1896, αυτή η υπόθεση του Wilson ενισχύθηκε, μετά από την έκθεση του πρωτόγονου "cloud chamber"  ("θαλάμου νέφους") που είχε φτιάξει, σε ακτινοβολία Χ, που πρόσφατα είχε ανακαλυφθεί από τον Röntgen. Η τεράστια αύξηση της συμπύκνωσης τύπου "βροχής" ταίριαξε θαυμάσια με την παρατήρηση που είχαν κάνει ο Thomson με τον McClelland, αμέσως μετά την ανακάλυψη του Röntgen, ότι ο αέρας γινόταν αγώγιμος με τη διέλευση των ακτίνων Χ.

Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του 1896, διαπιστώθηκε στα σίγουρα από τον Thomson και τον Rutherford ότι η αγωγιμότητα οφειλόταν πράγματι στον ιονισμό του αερίου. Έτσι, δεν υπήρχε πλέον καμία αμφιβολία ότι τα ιόντα στα αέρια μπορούσαν να ανιχνευθούν και να φωτογραφηθούν. Αυτό πρακτικά σήμαινε, ότι θα υπήρχε η δυνατότητα στους ερευνητές να μελετούν τις φωτογραφίες με την ησυχία τους.

Χειρόγραφο από τις σημειώσεις του Wilson.

Στο τέλος του ίδιου έτους, ο Wilson τοποθετήθηκε ως Clerk Maxwell Student (είδος υποτροφίας) για τρία χρόνια, ενώ για έναν επιπλέον χρόνο απασχολήθηκε από το Μετεωρολογικό Συμβούλιο στην έρευνα για την ατμοσφαιρική ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό του επέτρεψε να αφιερώσει όλο το χρόνο του σ’ αυτό το διάστημα, στην έρευνα του θαλάμου νεφών. Το μεγαλύτερο μέρος του έργου του για τη συμπεριφορά των ιόντων ως πυρήνες συμπύκνωσης πραγματοποιήθηκε στο διάστημα 1895-1900, ενώ μετά από τότε, οι άλλες του απασχολήσεις - κυρίως διδασκαλία - τον εμπόδισαν να προχωρήσει στην ανάπτυξη του θαλάμου νέφους.

Στις 30 Μαρτίου 1908, ο Wilson παντρεύτηκε τη Jessie Fraser, κόρη υπουργού από τη Γλασκώβη και απέκτησαν δύο γιους και δύο κόρες.

Η "αφρόκρεμα" των φυσικών στη συνάντηση του Solvay, το 1927.
Ο Wilson διακρίνεται στην πρώτη σειρά, 2ος από δεξιά.

Στις αρχές του 1911, ήταν ο πρώτος που είδε και φωτογράφισε τα ίχνη μεμονωμένων άλφα- (α) και βήτα- (β) σωματιδίων και ηλεκτρονίων. (Τα τελευταία περιγράφονταν από αυτόν ως «μικρά σκουπίδια και κλωστές από σύννεφα»).
Το γεγονός αυτό προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς τα ίχνη των α-σωματιδίων ήταν ακριβώς όπως τα είχε περιγράψει ο WHBragg σε κάποια δημοσίευσή του πριν από μερικά χρόνια.

Βέβαια, έπρεπε να έρθει το 1923 για να τελειοποιηθεί ο θάλαμος και να μπορέσει ο ίδιος να γράψει δύο καταπληκτικές εργασίες με εικόνες, όπου φαίνονταν ίχνη ηλεκτρονίων.    
Η τεχνική του Wilson ακολουθήθηκε αμέσως με εκπληκτική επιτυχία σε όλα τα μέρη του κόσμου. Στο Κέιμπριτζ από τον Blackett (ο οποίος το 1948 πήρε το βραβείο Νόμπελ  εξαιτίας της περαιτέρω ανάπτυξης του θαλάμου νέφους και των ανακαλύψεών του) και τον Kapitsa, στο Παρίσι από την Irène Curie και τον Auger, στο Βερολίνο από τον Bothe, την Meitner και τον Philipp Lenard, στο Λένινγκραντ (Αγ. Πετρούπολη) από  τον Skobelzynστο Τόκιο από τον Kikuchi.

Θάλαμος νέφους του 1911, από το Εργαστήριο Cavendish 
του Κέιμπριτζ.

Το 1927 μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής με τον Arthur Compton "για την μέθοδό του να κάνει τα ίχνη των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων να είναι ορατά με τη συμπύκνωση υδρατμών". 
Μέχρι το 2016 ήταν ο μοναδικός Σκωτσέζος με Νόμπελ στη Φυσική. (Το 2016 πήρε επίσης Νόμπελ στη Φυσική ο Σκωτσέζος J. Michael Kosterlitz).

Μερικές από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις που έγιναν με τη χρήση του θαλάμου Wilson ήταν: 
  • η επίδειξη της ύπαρξης ηλεκτρονίων ανάκρουσης Compton (σκέδαση Compton)
  • η ανακάλυψη του ποζιτρονίου από τον Άντερσον
  • η οπτική επίδειξη των διαδικασιών "δημιουργίας ζεύγους" ("pair creation" - "δίδυμος γένεση") ποζιτρονίου - ηλεκτρονίου και "εξαφάνισης" ("annihilation") ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων από τους Blackett και Occhialini,
  • η μεταστοιχείωση των ατομικών πυρήνων που διεξήχθη από τους Cockcroft και Walton

O C. T. R. Wilson στην αυλή του Εργαστηρίου Cavendish.

Έτσι, η παρατήρηση του Ράδερφορντ ότι ο θάλαμος νέφους ήταν "το πιο πρωτότυπο και υπέροχο όργανο στην επιστημονική ιστορία" ήταν πλήρως δικαιολογημένη.

Το 1900, ο Wilson έγινε καθηγητής στο Κολέγιο Sidney Sussex και λέκτορας στο  Πανεπιστήμιο Κέιμπριτζ.
Από τότε και ως το 1918 ήταν υπεύθυνος για την διδασκαλία της πειραματικής φυσικής στο Εργαστήριο Cavendish, σε προηγμένο επίπεδο
Εκτός από το πειραματικό έργο του στο Εργαστήριο Cavendish, πραγματοποίησε παρατηρήσεις (1900-1901) σχετικά με την ατμοσφαιρική ηλεκτρική ενέργεια (κυρίως στην περιοχή του Peebles στη Σκωτία).

Ο Wilson το 1933 δίνει διάλεξη στο αμφιθέατρο Maxwell του
Cavendish Laboratory. Το αμφιθέατρο χωρούσε μέχρι 180 φοιτητές,
που μπορούσαν να παρακολουθήσουν πειράματα που γίνονταν
στον πάγκο που φαίνεται μπροστά από τον Wilson.

Το 1913 διορίστηκε παρατηρητής της Μετεωρολογικής Φυσικής στο Παρατηρητήριο Ηλιακής Φυσικής και το μεγαλύτερο μέρος των ερευνών του, τόσο στα ίχνη σωματιδίων ιονισμού, όσο και στις ηλεκτρικές καταιγίδες, πραγματοποιήθηκε εκεί.
Το 1918 διορίστηκε καθηγητής (reader) στην Ηλεκτρική Μετεωρολογία και το 1925, καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας στην Έδρα Jackson. 
Το 1900 εκλέχτηκε μέλος της Βασιλικής Εταιρείας και ο ίδιος σύλλογος τον τίμησε με το Μετάλλιο Hughes το 1911, το Βασιλικό Μετάλλιο το 1922 και το Μετάλλιο Copley το 1935.

Η Φιλοσοφική Εταιρεία του Κέιμπριτζ του απένειμε το βραβείο Χόπκινς το 1920 και η Βασιλική Εταιρεία του Εδιμβούργου το βραβείο Cunning το 1921, ενώ το Ινστιτούτο  Franklin του απένειμε το Μετάλλιο Howard Potts το 1925.

Αναμνηστική πλάκα για τον Wilson 
στο Crosshouse Farm, κοντά στον τόπο που γεννήθηκε.

Μετά τη συνταξιοδότησή του, ο Wilson μετακόμισε στο Εδιμβούργο και στη συνέχεια, στην ηλικία των 80 ετών, στο χωριό Carlops, κοντά στη γενέτειρά του στην αγροικία  Crosshouse, στο Glencorse. Ωστόσο, στην διάρκεια αυτών των χρόνων η ζωή του δεν ήταν κενή. Ο "C.T.R." όπως τον ονόμαζαν οι φίλοι και οι συνάδελφοί του, διατηρούσε κοινωνικές επαφές, πραγματοποιώντας ένα εβδομαδιαίο ταξίδι με λεωφορείο προς την πόλη για να γευματίσει μαζί τους. 
Από επιστημονική άποψη, ήταν ενεργός μέχρι το τέλος, ολοκληρώνοντας το χειρόγραφο που είχε υποσχεθεί από παλαιότερα πάνω στη θεωρία του ηλεκτρισμού των καταιγίδων (Έκδοση από τη Royal SocietyΛονδίνο, Αύγουστος 1956).

Σκίτσο του C. T. R. Wilson 
από την Carola Spaeth Hauschka.

Ο C.T.R. Wilson πέθανε στο Carlops σε ηλικία 90 ετών, την Κυριακή 15 Νοεμβρίου 1959, ανάμεσα στα μέλη της οικογένειάς του.
κρατήρας Wilson στην σελήνη έχει ονομαστεί προς τιμή του.
Το 2013 δημιουργήθηκε το Ινστιτούτο "CTR Wilson Institute for Atmospheric Electricity" για την μελέτη της επιστήμης του ηλεκτρισμού της ατμόσφαιρας.
  • Όλο το αρχείο του C. T. R. Wilson στο Πανεπιστήμιο του Aberdeen. Το αρχείο  προσφέρθηκε στο πανεπιστήμιο από την κόρη τουJessie Wilson, το 1995.
  • Κείμενο του Malcolm Longair με τίτλο "C.T.R. Wilson and the cloud chamber" ("Ο C.T.R. Wilson και ο θάλαμος νέφους")  (Astroparticle Physics, Τόμος 53, Ιανουάριος 2014, σελίδες 55-60).
  • Κείμενο του Earle R. Williams με τίτλο "Origin and context of C. T. R. Wilson's ideas on electron runaway in thunderclouds" ("Προέλευση και πλαίσιο των ιδεών του C. T. R. Wilson σχετικά με τη διέλευση ηλεκτρονίων από σύννεφα"). (Από το περιοδικό Journal of Geophysical Research - Space Physics, Vol.115, IssueA8). 
  • "100 χρόνια από την κατασκευή του θαλάμου Wilson" - μια ανάρτηση από το Physics4u's Weblog.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου