Камера Вильсона была изобретена шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1910– 1912 годах и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. Принцип работы камеры Вильсона заключается в следующем. Если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре (т.е. пар перенасыщен), то может образоваться туман и выпасть роса. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе его парциальное давление должно быть в несколько раз больше давления насыщенного пара, но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование начинается раньше.

 Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролёте частицы ионы притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды, который можно увидеть и заснять на фотопластинку.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться. Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, т.е. появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона  выглядит тоньше и прерывистее, чем трек, полученный при пролёте значительно более массивной альфа-частицы. 

В 1923 году советский физик П.Л. Капица поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле, которое искривляло траекторию движения частиц. По величине искривления траектории можно определять заряды и энергии частиц.

Рассмотрим движение частицы в поперечном однородном магнитном поле. Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, то на неё действует сила Лоренца $F_B=q\text{v}B$, так как угол между скоростью и направлением индукции поля в этом случае равен 90 градусов. Эта сила перпендикулярна скорости частицы и поэтому не совершает работы и не изменяет кинетической энергии частицы. По этой причине величина скорости частицы в магнитном поле постоянна. Поскольку направление движения частицы изменяется, то частица всё же имеет ускорение, которое является центростремительным, при этом частица движется по окружности, плоскость которой перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. 2-й закон Ньютона запишется в виде

$m\frac{{\text{v}}^2}{R}=q\text{v}B$,

(1)

 где R – радиус окружности. Отсюда следует, что радиус $R=\frac{m}{qB}\text{v}$, т.е. он пропорционален скорости частицы. Время одного оборота частицы по окружности равно $T=\frac{2R\text{π}}{v}=\frac{2m\text{π}}{qB}$, т.е. оно не зависит от скорости частицы.

Из формулы (1) можно получить выражение для удельного заряда частицы, т.е. для отношения заряда частицы к её массе:

$\frac{q}{m}=\frac{\text{v}}{RB}$.

(2)

Из формулы (2) видно, что для определения этой величины необходимо измерить скорость частицы и радиус окружности, по которой она движется в магнитном поле, а также знать величину индукции магнитного поля.

Кадр из данного компьютерного эксперимента показан на рисунке, компьютерная программа – в приложении.

Для получения траекторий частиц необходимо нажимать на кнопку «start». Индукцию магнитного поля можно изменять через полосу прокрутки. Кнопка «begin» служит для возврата частицы в исходное положение. Заряд задаётся каждый раз случайным образом при нажатии на кнопку «заряд».