Δίνοντας νέα πνοή στη σωματιδιακή φυσική: κατασκευάστε το δικό σας θάλαμο νέφωσης Teach article

Μετάφραση από Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos). Η σωματιδιακή φυσική θεωρείται συχνά ότι αφορά μόνο τα πελώρια ερευνητικά ινστιτούτα και όχι το γενικό κοινό. Οι…

Ακτίνες α εκπεμπόμενες από
πηγή πολωνίου που
σχηματίζουν μία εικόνα που
μοιάζει με λουλούδι στο
κέντρο ενός θαλάμου
νέφωσης. Τα σωματίδια
καθίστανται ορατά καθώς οι
ατμοί αλκοόλης διαχέονται
από μία περιοχή
θερμοκρασίας δωματίου σε
μία περιοχή στους -78 °C. Η
φωτογραφία πάρθηκε το
1957. Κάντε κλικ στην
εικόνα για μεγέθυνση

Εικόνα χωρίς δικαιώματα,
πηγή: Wikimedia Commons

Ο στόχος της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων είναι να ανακαλύψει τα βασικά δομικά στοιχεία από τα οποία φτιάχνονται τα πάντα καθώς και να διερευνήσει τη συμπεριφορά αυτών των δομικών στοιχείων. Μολονότι η σωματιδιακή φυσική μπορεί να θεωρηθεί ως ακρογωνιαίος λίθος της επιστήμης, συχνά παραβλέπεται ή γίνεται ελάχιστα κατανοητή στα σχολεία, εν μέρει επειδή θεωρείται ότι δε σχετίζεται με πράγματα με τα οποία αλληλεπιδρούμε σε καθημερινή βάση. Ωστόσο, οι φυσικοί στοιχειωδών σωματιδίων ανιχνεύουν και μετρούν ηλεκτρόνια, φωτόνια και μιόνια κάθε μέρα με την ίδια σιγουριά που όλοι οι υπόλοιποι «ανιχνεύουμε» αγελάδες, τραπέζια ή αεροπλάνα. Επιπλέον, ανιχνευτές σωματιδίων (π.χ., σαρωτές PET) χρησιμοποιούνται καθημερινά, για παράδειγμα, από γιατρούς για να ανιχνεύσουν όγκους και να καταγράψουν τη λειτουργία εσωτερικών οργάνων.

Εδώ περιγράφουμε πώς μπορείτε να δώσετε νέα πνοή στη σωματιδιακή φυσική μέσα στην τάξη, χρησιμοποιώντας πιθανόν τον απλούστερο τύπο ανιχνευτή σωματιδίων: έναν διαρκούς ευαισθησίας θάλαμο νέφωσης. Αυτή η σπιτική εκδοχή αποτελείται από ένα αεροστεγές δοχείο ενυδρείου γεμισμένο με αέρα και ατμούς αλκοόλης, που έχουν ψυχθεί σε πολλή χαμηλή θερμοκρασία, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει φορτισμένα σωματίδια, συγκεκριμένα μιόνια της κοσμικής ακτινοβολίας, εφόσον έχουν αρκετή ενέργεια.

Στοιχειώδη σωματίδια

Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα απλούστερα στοιχεία από τα οποία είναι φτιαγμένα τα πάντα. Δεν είναι απλά οι δομικοί λίθοι της ύλης και της ακτινοβολίας, αλλά προκαλούν επίσης τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους (για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα στοιχειώδη σωματίδια, δείτε Landua & Rau, 2008). Αυτά τα σωματίδια μεταφέρουν ενέργεια και ορμή κι επομένως μπορούν να καταγραφούν από ανιχνευτές. Αν θέλουμε να είμαστε ακριβείς, δεν μπορείτε να δείτε απευθείας κανένα σωματίδιο, αλλά η διέλευσή τους μέσα από τους ανιχνευτές συνάγεται από τα αποτελέσματα που προκαλούν, όπως είναι ο ιονισμός (για τα φορτισμένα σωματίδια). Αυτό ακριβώς κάνουμε κι όταν παρατηρούμε την ουρά συμπύκνωσης που αφήνει ένα αεροπλάνο στον ουρανό το οποίο δεν μπορούμε να δούμε, και αυτό που μπορούμε να κάνουμε με το σπιτικό μας θάλαμο νέφωσης.

Ο διαρκούς ευαισθησίας θάλαμος νέφωσης

Σχέδιο ενός διαρκούς
ευαισθησίας θαλάμου
νέφωσης

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Francisco Barradas Solas

Αυτός ο θάλαμος νέφωσης είναι βασικά ένα αεροστεγές δοχείο γεμισμένο με ένα μίγμα αέρα και ατμών αλκοόλης. Υγρή αλκοόλη εξατμίζεται από έναν ταμιευτήρα και διαχέεται μέσα στον αέρα από την κορυφή προς τον πυθμένα του δοχείου. Η ψύξη της βάσης του δοχείου με ξηρό πάγο (στερεό διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο βρίσκεται σε σταθερή θερμοκρασία περίπου –79 ºC ενώ εξαχνώνεται) προκαλεί ισχυρή διαφοροποίηση της θερμοκρασίας καθ’ ύψος, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται μια ζώνη υπέρκορων ατμών αλκοόλης κοντά στον πυθμένα. Αυτό το ευαίσθητο στρώμα είναι ασταθές, διαθέτοντας περισσότερους ψυχρούς ατμούς αλκοόλης από ό,τι μπορεί να διατηρήσει. Η διαδικασία της συμπύκνωσης των ατμών σε υγρό μπορεί να προκληθεί από τη διέλευση ενός φορτισμένου σωματιδίου με αρκετή ενέργεια για να ιονίσει άτομα που θα βρεθούν στην πορεία του. Αυτά τα ιόντα αποτελούν τους πυρήνες συμπύκνωσης γύρω από τους οποίους δημιουργούνται σταγονίδια που σχηματίζουν μία τροχιά.

Κατασκευή και λειτουργία

Υλικά

Τομή του θαλάμου νέφωσης
. Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Francisco Barradas Solas
  • Ένα ορθογώνιο δοχείο από καθαρό πλαστικό ή γυαλί (π.χ. ένα ενυδρείο) με βάση περίπου 30 cm x 20 cm και ύψος περίπου 20 cm (μπορούν να χρησιμοποιηθούν και διαφορετικά μεγέθη, αλλά τα αποτελέσματα ενδέχεται να διαφέρουν)
  • Φύλλο αλουμινίου (με πάχος, περίπου, 1 mm, όσο και το πάχος της βάσης του ενυδρείου)
  • Ρηχός δίσκος λίγο μεγαλύτερος από τη βάση του ενυδρείου
  • Δύο λάμπες, μία εκ των οποίων ισχυρή
  • Λωρίδα τσόχας (πλάτους περίπου 3 cm και μήκους αρκετού για να τυλίξει τριγύρω το εσωτερικό του ενυδρείου, δηλαδή λίγο παραπάνω από 1 m)
  • Κόλλα (να μην είναι διαλυτή από αλκοόλη)
  • Μαύρη μονωτική ταινία ή πλαστική ταινία
  • Ισοπροπυλική αλκοόλη (ισοπροπανόλη)
  • Ξηρός πάγος
Ο θάλαμος. Κάντε κλικ στην
εικόνα για μεγέθυνση

Μέθοδος

  1. Κολλήστε μία λωρίδα τσόχας (ο ταμιευτήρας της αλκοόλης) τριγύρω από το εσωτερικό του πυθμένα του ενυδρείου (το σώμα του θαλάμου νέφωσης). Λίγη τσόχα μπορεί να κολληθεί επίσης στον πυθμένα του δοχείου.
  2. Χρησιμοποιήστε τη μονωτική ή την πλαστική ταινία για να δέσετε το φύλλο αλουμινίου στο στόμιο του ενυδρείου, σφραγίζοντας το θάλαμο ώστε να είναι αεροστεγής. Αυτό είναι το πιο κρίσιμο βήμα και πρέπει να γίνει προσεκτικά, καθώς η σύνδεση θα υγραθεί και θα κρυώσει πολύ κατά τη λειτουργία.
  3. Γυρίστε το ενυδρείο ανάποδα και τοποθετήστε το πάνω από το φύλλο αλουμινίου. Βεβαιωθείτε ότι η μαύρη πλευρά του φύλλου κοιτάει προς τα πάνω (ώστε να είναι πιο εύκολα ορατές οι τροχιές των σωματιδίων).
  4. Εμποτίστε την τσόχα με ισοπροπυλική αλκοόλη (όχι όμως με τόση πολύ ώστε να στάζει από τα άκρα του θαλάμου).
  5. Σημείωση ασφαλείας: Να το κάνετε σε ένα καλά αεριζόμενο δωμάτιο και να θυμάστε ότι η αλκοόλη είναι εύφλεκτη.
  6. Κόψτε το φύλλο αλουμινίου ώστε να μπορεί να καλύψει (όσο το δυνατό καλύτερα) την οροφή του ενυδρείου, και καλύψτε τη μία πλευρά του φύλλου με μονωτική ταινία, σχηματίζοντας μια μαύρη επιφάνεια.
  7. Φτιάξτε ένα επίπεδο στρώμα ξηρού πάγου μέσα στο δίσκο και τοποθετήστε το θάλαμο πάνω από αυτό, επιβεβαιώνοντας ότι η βάση του είναι οριζόντια. Για να εξασφαλίσετε καλή θερμική επαφή μεταξύ της μεταλλικής πλάκας και του ξηρού πάγου, αποφύγετε μεγάλα κομμάτια ξηρού πάγου: επίπεδα φύλλα ή κόκκοι είναι το καλύτερο, αλλά και μικροί σβώλοι κάνουν.
    Σημείωση ασφάλειας: Ο ξηρός πάγος έχει θερμοκρασία γύρω στους –79 ºC και θα πρέπει να τον χειρίζεστε μόνο με χοντρά γάντια.
  8. Διατηρείστε το πάνω μέρος του θαλάμου ζεστό, για παράδειγμα φωτίζοντάς το με μία λάμπα. Αποφύγετε να χρησιμοποιήσετε το θάλαμο σε κρύο περιβάλλον, επειδή αυτό θα μπορούσε να παρεμποδίσει το σχηματισμό της σωστά μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας με το ύψος, που σημαίνει ότι δεν θα μπορείτε να δείτε τροχιές.
  9. Αφήστε το θάλαμο χωρίς να το διαταράσσετε για περίπου 10 λεπτά, μέχρι να σταθεροποιηθεί η διαφοροποιημένη καθ’ ύψος θερμοκρασία στο εσωτερικό του. Φέξτε με μία φωτεινή λάμπα μέσα στο θάλαμο με μικρή γωνία και κοιτάξτε στον πυθμένα του θαλάμου. Αρχικά πρέπει να δείτε μόνο να σχηματίζεται ένα συμπύκνωμα αλκοόλης, αλλά σταδιακά, τροχιές φορτισμένων σωματιδίων πρέπει να εμφανιστούν σαν τριχοειδείς συμπυκνώσεις μέσα στον αχνό. Σημείωση: Οι τροχιές είναι καλύτερα ορατές μέσα σε σκοτεινό δωμάτιο.
Τροχιές ιονίζουσας
ακτινοβολίας σε έναν
θάλαμο νέφωσης (παχιές
και κοντές: σωματίδια α,
λεπτές και μακριές:
σωματίδια β). Κάντε κλικ
στην εικόνα για μεγέθυνση

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Bionerd; image source:
Wikimedia Commons
Κοσμικές ακτίνες. Κάντε κλικ
στην εικόνα για μεγέθυνση

Image prepared by Alberto
Izquierdo; Η εικόνα
προσφέρθηκε απόf Francisco
Barradas Solas

Αν και κάθε φορτισμένο σωματίδιο με αρκετή ενέργεια, για παράδειγμα από την ραδιενέργεια περιβάλλοντος, μπορεί να αφήσει το ίχνος του μέσα στο θάλαμο, οι περισσότερες τροχιές θα σχηματιστούν από δευτερεύουσες κοσμικές ακτίνες: σωματίδια που σχηματίζονται όταν άλλα σωματίδια (κυρίως πρωτόνια) έρχονται από το εξωτερικό διάστημα και χτυπούν την ανώτερη ατμόσφαιρα. Οι δευτερεύουσες κοσμικές ακτίνες ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και απορροφούνται από την ατμόσφαιρα ή διασπώνται εν πτήση, σχηματίζοντας νέα σωματίδια μεταξύ των οποίων και μιόνια, τα οποία μπορεί να φτάσουν στην επιφάνεια της Γης. Τα μιόνια είναι φορτισμένα στοιχειώδη σωματίδια που μοιάζουν πολύ με τα ηλεκτρόνια εκτός από τη μάζα τους (η οποία είναι 200 φορές μεγαλύτερη).

Τι μπορείτε να κάνετε με το θάλαμο;

Προκειμένου ο θάλαμος να αξιοποιηθεί πραγματικά, δεν μπορούμε να περιοριστούμε στο να τον δείχνουμε και να περιγράφουμε πώς λειτουργεί. Για να υποστηρίξουμε την παρουσίαση της ερμηνείας, έχουμε ετοιμάσει ένα σύντομο, απλά γραμμένο κόμικw1 (δείτε παρακάτω), που δείχνει πώς λειτουργεί ο θάλαμος και αναπαριστά την προέλευση και τη σύσταση των κοσμικών ακτινών μέσω της ιστορίας ενός κοσμικού πρωτονίου και των διασπάσεών του.

Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση

Από το κόμικ για το θάλαμο
νέφωσης: η εικόνα είναι
ευγενική χορηγία της Paloma
Alameda-Meléndez

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το θάλαμο στο σχολείο με τους μαθητές μας ηλικίας από 12 έως 16 ετών, ως μέρος της προσπάθειας να τους βοηθήσουμε να δουν τα σωματίδια ως πραγματικά φυσικά αντικείμενα. Βλέποντας τις ορατές τροχιές που αφήνουν αόρατα σωματίδια και συγκρίνοντας αυτές τις τροχιές με εκείνες που αφήνουν οι μηχανές αεριωθούμενων αεροπλάνων (στις οποίες εμπλέκεται πολλή από την ίδια φυσική) κάνουμε το πρώτο βήμα σε μια διαδικασία που συνεχίζουμε εισάγοντας πραγματικά δεδομένα και εικόνες της φυσικής υψηλών ενεργειών σε κατά τα άλλα καθιερωμένες ασκήσεις και ερωτήσειςw2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) και που ολοκληρώνουμε με έναν άλλο, πιο περίπλοκο, ανιχνευτή για σχολική χρήση: έναν σπινθηριστή κοσμικών ακτινών ο οποίος επιτρέπει στους ίδιους τους μαθητές να καταγράψουν και να μελετήσουν δεδομένα s (Barradas-Solas, 2007).

Γιατί να μη χρησιμοποιήσουμε το φόρουμ συζητήσεων του Science in School για να ανταλλάξουμε ιδέες σχετικά με τη χρήση του θαλάμου νέφωσης στο σχολείο; Δείτε: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς επιθυμούν να ευχαριστήσουν την Dr Eleanor Hayes, επικεφαλούς εκδότριας του Science in School, για τη βοήθειά της για την τελική μορφή αυτού του άρθρου.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Barradas-Solas F (2007) Giving new life to old equipment. Physics Education 42: 9-11. doi: 10.1088/0031-9120/42/1/F03
  • Για να αποκτήσετε πρόσβαση σε αυτό το άρθρο, το οποίο είναι ελεύθερα διαθέσιμο, επισκεφτείτε το δικτυακό τόπο του Ινστιτούτου Τεχνολογικής Εκπαίδευσης της Μαδρίτης, στην Ισπανία (http://palmera.pntic.mec.es) ή χρησιμοποιείστε τον απευθείας σύνδεσμο: http://tinyurl.com/y8ssyc5
  • Cid R (2005) Contextualized magnetism in secondary school: learning from the LHC (CERN). Physics Education 40: 332-338. doi: 10.1088/0031-9120/40/4/002
  • Cid X, Ramón C (2009) Taking energy to the physics classroom from the Large Hadron Collider at CERN. Physics Education 44: 78-83. doi: 10.1088/0031-9120/44/1/011
  • Landua R, Rau M (2008) LHC: ένα βήμα πιο κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη. Science in School 10. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy/greek

Web References

  • w1 –Το κόμικ (στα Αγγλικά και στα Ισπανικά) καθώς και πλήρεις οδηγίες κατασκευής (στα Ισπανικά) είναι διαθέσιμα στο δικτυακό μας τόπο: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • w2 – Δείτε, για παράδειγμα, εισαγωγικές πληροφορίες σχετικά με τον LHC και απλούς φυσικούς υπολογισμούς οι οποίοι γίνονται σε όλους τους επιταχυντές σωματιδίων στο ‘Taking a closer look at LHC’: http://www.lhc-closer.es
  • w3 – Ο δικτυακός τόπος του CERN για τους καθηγητές λυκείου (http://teachers.web.cern.ch) περιλαμβάνει επίσης μια συλλογή φωτογραφιών θαλάμων φυσαλίδων που ταιριάζουν όμορφα με το δικό μας έργο. Δείτε το σύνδεσμο: http://tinyurl.com/yfbv8ls

Resources

  • Για συνοπτικές, απλές επισκοπήσεις σωματιδιακής φυσικής που απευθύνονται στο γενικό κοινό, δείτε:
    • Close FE (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780192804341
    • Το διαθέσιμο στο διαδίκτυο αλληλεπιδραστικό οδηγό του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley, ‘The Particle Adventure: the Fundamentals of Matter and Force’: www.particleadventure.org
    • Το ηλεκτρονικό κέντρο επισκεπτών του SLAC National Accelerator Laboratory (ειδικά τις παραγράφους για τη θεωρία, τους ανιχνευτές και τις κοσμικές ακτίνες): www2.slac.stanford.edu/vvc
    • Το δικτυακό τόπο του CERN: http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html
  • Για μια παρουσίαση του τρόπου με τον οποίο θα απαντηθούν μερικά από τα μεγάλα ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής από το Μεγάλο Αδρονικό Συγκρουστή του CERN, δείτε:
  • Για λεπτομερέστερες, αν και κατανοητές, οδηγίες για ανθρώπους με επιστημονική εκπαίδευση που δε φοβούνται τα μαθηματικά, συστήνουμε:
    • Barnett RM et al. (2000) The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics. New York, NY, USA: AIP Press. ISBN: 0387988971
    • Treiman SB (1999) The Odd Quantum. Princeton, NJ, USA: Princeton University Press. ISBN: 0691009260
    • Το βιβλίο του Treiman είναι ένα από τα καλύτερα για ξεκινήσει κανείς να αντιμετωπίσει τις εκλεπτυσμένες έννοιες της κβαντικής μηχανικής που υπεισέρχονται στη σωματιδιακή φυσική (τις οποίες αποφύγαμε σε αυτό το άρθρο), που μεταξύ άλλων περιλαμβάνουν εν δυνάμει και ασταθή σωματίδια καθώς και τη σχέση πεδίων-σωματιδίων.
    • Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις κοσμικές ακτίνες, δείτε το δικτυακό τόπο της NASAa: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
    • Εμείς, αλλά και πολλοί άλλοι, μάθαμε να κατασκευάζουμε θαλάμους νέφωσης από την αντίστοιχη ιστοσελίδα του Andy Foland: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
    • Ο δικτυακός τόπος του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας περιέχει εικόνες από τα κύρια στάδια κατασκευής ενός θαλάμου νέφωσης: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
    • Δεν είναι εύκολο να εξηγηθεί λεπτομερώς η διαδικασία του υπερκορεσμού και του σχηματισμού τροχιών ή η υπεράσπιση της επιλογής ενός ενεργού υγρού (ισοπροπανόλης, στη δική μας περίπτωση), καθώς εξαρτώνται με έναν περίπλοκο τρόπο, για παράδειγμα, από τις ενέργειες ιονισμού, τις τάσεις ατμών, τους ρυθμούς διάχυσης και διάφορες άλλες μηχανικές ιδιότητες του θαλάμου. Εάν επιθυμείτε να ενημερωθείτε περισσότερο, δείτε τη συμπληρωματική βιβλιογραφία στο δικτυακό μας τόπο: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • Για ένα άρθρο του Science in School που περιγράφει πώς μπορείτε να μετρήσετε ραδιενέργεια από το ραδόνιο σε ένα σπίτι, δείτε:

Author(s)

Ο Francisco Barradas-Solas είναι πτυχιούχος φυσικός και διδάσκει φυσική και χημεία στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, μολονότι επί του παρόντος είναι αποσπασμένος, εργαζόμενος ως σχολικός σύμβουλος στην εθνική εκπαιδευτική υπηρεσία της Μαδρίτης στην Ισπανία. Ένα από τα κύρια ενδιαφέροντά του είναι η εισαγωγή της σωματιδιακής φυσικής στα σχολεία κι έχει συμμετάσχει σε διάφορα προγράμματα για εκπαιδευτικούς που έχει οργανώσει το CERN.

Η Paloma Alameda-Meléndez είναι πτυχιούχος χημικός και διδάσκει φυσική και χημεία στο Λύκειο του El Álamo, κοντά στη Μαδρίτη.


Review

Οι κοσμικές ακτίνες περιέχουν υποατομικά σωματίδια τα οποία προέρχονται από το διάστημα και χτυπούν την ατμόσφαιρα της Γης, δημιουργώντας ένα «καταράκτη» από σωματίδια που μπορούν να μελετηθούν στην επιφάνεια της Γης. Οι μαθητές του Λυκείου μπορούν συνήθως να διαβάζουν μόνο για αυτά τα σωματίδια στα βιβλία ή να τα μελετούν μέσω προσομοιώσεων, μολονότι τα σωματίδια αυτά διαπερνούν συνεχώς το σώμα μας.

Εδώ, οι Francisco Barradas-Solas και Paloma Alameda-Meléndez παρουσιάζουν την ιδέα ότι οι θάλαμοι νέφωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν από μαθητές ως πειραματικό εργαλείο, που τους δίνει τη δυνατότητα να πραγματοποιήσουν τη δική τους έρευνα στην ακτινοβολία. Παρέχουν επίσης λεπτομέρειες σχετικά με τη κατασκευή ενός θαλάμου νέφωσης, εξοπλισμός που μπορεί να κατασκευαστεί στο σχολείο χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία, επιτρέποντας στους μαθητές να παρατηρήσουν αυτά τα υποατομικά σωματίδια μέσα στην τάξη κάνοντας ορατές τις τροχιές τους.


Vangelis Koltsakis, Ελλάδα




License

CC-BY-NC-SA