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研究工作。
英国首都伦敦是世界上著名的雾都，大雾与泰晤士河及伦敦塔等著名风景一样有名气。
１８９５年初，威尔逊采用爱特肯（Ｊ．Ａｉｔｋｅｎ）创造的方法：爱特肯早在１８８０年就发现，火焰升起的气体，可以引起饱和气体中水蒸汽沉积，爱特肯把能让水蒸汽自行凝结的装置称之为“记尘计”。这是一种能使灌满水蒸汽和尘埃的容器迅速膨胀，并降低温度产生雾的装置。利用这种装置可计算出形成雾颗粒的数量。
威尔逊让潮湿空气膨胀，制造人工云雾，果然，当光照到云雾时出现了彩霞，然而他并不仅仅是为满足追求美景的愿望，而是立即对其中的物理现象进行了研究。以前，爱特肯用云室做这个实验时，曾碰到这样的现象：当空气中没有尘埃时不能产生云雾；而威尔逊却以敏锐的观察力从实验中判断出：如果膨胀比例足够大，是可能出现云雾的。他进行了大量测量，获得了确切的结果。
显然，在尘埃完全消除之后的云室中，还有某种凝结核心。威尔逊进一步改进实验，判定核粒的大小不会超过分子，他立即想到：“也许在某种特殊的条件下，我们可以找到一种方法，使得个别分子或原子成为可见或可数的。（这些核粒）会不会是带电的原子？”
１８９６年，伦琴发现Ｘ射线的消息传到英国，约瑟夫·汤姆逊立即将这种射线用于气体导电。威尔逊就用卡文迪什实验室中汤姆逊教授的助手埃弗莱特（Ｅｖｅｒｅｔｔ）做的原始Ｘ射线管，让它产生的Ｘ射线射向云室，云室膨胀时原来并无液粒产生，如果以Ｘ射线照射，产生的雾需好几分钟才沉降下来。可见空气在Ｘ射线的照射下发生了电离，而这正是汤姆森和卢瑟福研究气体导电所得出的结论，威尔逊用云室方法为他们的理论找到了确实证据，于是他的工作受到了大家的鼓励和支持。学校让他脱产当了３年研究生专门研究这个问题，气象委员会委托他研究大气电。约瑟夫·汤姆逊和其另一位研究生Ｈ．Ａ威尔逊将他的方法用于测量电子电荷。
在以后的年代里，威尔逊坚持做了大量实验研究，不断改进实验方法，每年都有这方面的论文发表。
１９１１年，他从云室照片中找到Ｘ射线辐照区域出现的个别α、β粒子和电子的径迹，证实了亨利·布拉格不久前关于Ｘ射线粒子性的分析，他的云室方法得到了普遍重视。
爱特肯和威尔逊的研究，促成美国人开始进行人工降雨研究的契机。１９４６年，Ｊ·谢费尔在充满冷却雾气的冷藏车中发现，有干冰碎片脱落的地方，就会有许多冰晶出现。
同年，勃奈卡特发现碘化银燃烧时产生细小的结晶，在摄氏零下５０度下会形成有用的冰晶核。由于这些发现，人们便利用飞机把干冰和碘化银撒向云中进行人工降雨实验，但当时并未达到实际使用的目的。
１９１１年，威尔逊研制成完美的检测离子的装置，该装置后来称之为“威尔逊云雾室”。
威尔逊云雾室使水蒸汽冷凝形成云雾。仔细除去仪器中的尘埃后发现，用Ｘ射线照射云室时，云雾也会立即出现，这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。经过４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。正离子膨胀比为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，离子的电荷对水蒸汽分子产生作用力，有助于雾珠的扩大。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，他用这个云室拍摄了α粒子的图象。
１９２７年，威尔逊因发明云室而与发现康普顿效应的Ａ．Ｈ．康普顿同获诺贝尔物理学奖。
１９５６年威尔逊８７岁时，作为当时英国皇家学会年纪最大会员，他还向学会递交了最后一篇论文《雨云电学原理》。
１９５９年１１月１５日，威尔逊在苏格兰的埃晶巴拉附近去世，终年９０岁。
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