1895年，他設計了壹套凝結水汽形成雲的設備。當時人們認為，為了凝結水汽，每個霧珠必須有壹個塵埃作為核心。威爾遜小心翼翼地清除了儀器上的灰塵後，發現原本不需要灰塵，但當雲室被X射線照射後，雲立刻出現了，這證明了凝聚現象是以離子為中心的。經過四年的研究，他得出結論:當潔凈空氣的體積膨脹比為1.25時，負離子開始成為凝結核；當膨脹率為1.28時，負離子全部成為凝聚核。對於正離子，膨脹比為1.31，膨脹比為1.35時全部成為凝聚核。另壹方面，他還指出，離子的電荷對水蒸氣分子施加了壹個力，這個力有助於霧珠的膨脹。1912年，威爾遜給雲室增加了拍攝帶電粒子軌跡的攝影設備，使之成為研究射線的重要儀器。阿爾法粒子的圖像是用這個雲室拍攝的。
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