Detektor častíc v kuchyni

Fyzika elementárnych častíc v poslednom období získavala na popularite, a to aj vďaka novinárskym správam z Európskej organizácie pre jadrový výskum Cern. Exkluzivitu zvyšovali najmä palcové titulky o výrobe čiernej diery, o hľadaní Božskej častice, či neutrínach, ktoré prekonali rýchlosť svetla. Aj keď mnohé z týchto správ boli marketingovo prikrášlené,  predsa len takéto informácie vyvolávajú nové otázky a záujem našich študentov.  

Názorne priblížiť svet elementárnych častíc študentom môže byť na prvý pohľad komplikované: tieto častice sú menšie ako atóm, a teda na to, aby sme ich mohli uvidieť, nemáme vhodný mikroskop, a ich rýchlosť býva blízka rýchlosti svetla. A predsa je tu jeden spôsob, ako ich možno uvidieť, a to aj bez drahých detekčných zariadení. 

Hmlová komora

Objaviteľ atómového jadra Ernest Rutherford povedal, že hmlová komora je ten najoriginálnejší a najkrajší  prístroj v dejinách fyziky. Umožňuje pozorovanie dráh elektricky nabitých častíc, a teda aj niektorých elementárnych častíc, ktoré budú v tejto komore zanechávať stopy v podobe drobných kvapôčiek. Ako už prezrádza názov, je to priestor nasýtený parami. Pary musia byť podchladené, čo znamená v stave, kedy by sa za daných teplotných podmienok už premenili na kvapalinu. Na to, aby para skondenzovala, potrebuje nejaké kondenzačné jadrá, niečo, čo naruší rovnováhu a okolo čoho by sa mohli vytvoriť prvé kvapôčky. Ak preletí takýmto priestorom energická častica, bude ionizovať paru. Pozdĺž svojej dráhy odtrhne elektróny z niektorých atómov plynu. To zanechá v týchto miestach kladné ióny. Rovnováha je tým narušená a okolo iónov začne proces kondenzácie. Tieto kvapky vytvárajú stopy, ktoré možno vidieť voľným okom a ktoré sú signálmi o prelete elementárnych častíc.

Hmlovú komoru si možno ľahko vyrobiť (viď obrázok). Môžeme na to použiť obyčajný zaváraninový pohár, kovovú panvicu, filc (alebo nejakú nasiakavú látku), plastelínu, izopropyl, suchý ľad a baterku. Na dno pohára umiestnime filc (1). Upevniť ho môžeme pomocou plastelíny (2), ktorú popritláčame po obvode. Na filc nanesieme izopropyl. Je to čistý, veľmi prchavý alkohol. Pohár otočíme hore dnom a položíme na panvicu (3), ktorá je taktiež obrátená hore dnom. Pohár potom na mieste styku s panvicou dobre utesníme plastelínou, aby do vnútra neprúdil žiaden vzduch. Pod panvicu vložíme suchý ľad (4). Suchý ľad je oxid uhličitý v tuhom skupenstve, ktorý má teplotu približne –80° C. Spodnú časť musíme intenzívne chladiť. Chladenie panvice a spodnej časti pohára zabezpečí teplotný gradient, vďaka ktorému v panvici dosiahneme, že alkoholové výpary budú podchladené a budú sa hromadiť v spodnej časti pohára. Suchý ľad možno zakúpiť na viacerých odberných miestach na Slovensku (pozri www.messer.sk). Takto pripravenú komoru necháme niekoľko minút postáť, aby sa vnútro pohára nasýtilo parami. Potom osvetlíme pohár silnejšou baterkou (5), alebo iným svietidlom a pozorujeme.

Dráhy častíc

Pokiaľ nám do vnútra nevniká vzduch a dobre osvetlíme vnútro priestoru, mali by sme zbadať alkoholové výpary klesajúce ku dnu. V nich sa budú objavovať krátke dráhy sformované z kvapôčiek alkoholu (6). Dráhy môžu mať rôzne tvary. Objavia sa po prelete elementárnej častice – miónu. Mión je častica podobná ako elektrón, má elektrický záporný náboj, ibaže je asi 200-krát ťažší ako elektrón. Mión vzniká vo vrchných častiach atmosféry ako dôsledok kozmického žiarenia. Žije veľmi krátko a tiež sa rýchlo rozpadá na iné častice. V našich pozorovaniach budeme môcť uvidieť rôzne druhy dráh, veľmi jasné a silné, ale aj tenšie a slabšie. Budeme môcť sledovať stopy, ktoré ostro zahýnajú doľava alebo doprava. Ale môžu sa objaviť aj tri stopy, ktoré sa stretávajú v jednom bode. Prítomné môžu byť aj veľmi skrútené chaotické stopy. Tie sú dôsledkom viacnásobného rozptylu, keď sa nízkoenergetický kozmický lúč postupne zráža s atómami vzduchu.

Ďalšie pokusy

Ak nám po takomto experimentovaní zvýši nejaký suchý ľad, môžeme ho použiť aj na ďalšie pútavé pokusy. Je to látka, ktorá rýchlo sublimuje. Ak ju vhodíme do fľaše s vodou, budeme pozorovať, ako sa okamžite mení na plyn, ktorý v kvapaline vytvorí bubliny. Ak fľašu uzavrieme vrchnákom, po naplnení plynom môže explodovať (pre študentov jeden z najobľúbenejších pokusov, ktoré však odporúčame robiť v bezpečnej vzdialenosti a radšej na školskom dvore). Ak do fľaše pridáme trochu čistiaceho prostriedku jar, za okamih budeme môcť pozorovať prúdy peny valiace sa von. Variácií pre experimentovanie je teda veľa. 

Želám vám veľa zábavy pri experimentovaní a objavovaní sveta elementárnych častíc.

Marek BALÁŽOVIČ
Gymnázium Ľudovíta Štúra
Zvolen

Detektor častíc v kuchyni

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Scroll to top