Zbuduj własną komorę mgłową (komora Wilsona) i oglądaj cząstki elementarne Teach article

Tłumaczenie Anna Malańska i Bogusław Malański. Istnieje przekonanie, że doświadczenia z fizyki cząstek elementarnych są zarezerwowane jedynie dla dużych instytutów badawczych. W artykule tym Francisco Barradas-Solas i Paloma Alameda-Meléndez pokazują, jak przy pomocy detektora…

ząstki alfa pochodzące ze
źródła- polonu emitującego
cząstki w kształcie kwiatu w
środku komory Wilsona.
Cząstki są widoczne dzięki
parom alkoholu
dyfundującego z obszaru o
temperaturze pokojowej do
obszaru o temperaturze -78
°C. Zdjęcie zostało zrobione
w roku 1957. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Domena publiczna; źródło:
Wikimedia Commons

Fizyka cząstek elementarnych zajmuje się podstawowymi elementami, z których zbudowana jest materia. Fizyka cząstek elementarnych jest często w szkole lekceważona i nie przywiązuje się do niej uwagi, chociaż jest jedną z podstawowych dziedzin nauki. Jedną z przyczyn jest fakt, że nie odczuwamy działania cząstek elementarnych w życiu codziennym. Fizycy zajmujący się cząstkami elementarnym odkrywają i mierzą własności elektronów, fotonów, mionów „na co dzień” z przekonaniem, takim z jakim my postrzegamy stoły, krowy, samoloty. W życiu codziennym np. w medycynie używa się tomografii emisji pozytronowej PET (ang. Positron Emission Tomography – PET) w wykrywaniu raka oraz monitoruje się działanie organów ludzkich.

W artykule tym pokażemy, jak zainteresować uczniów fizyką cząstek elementarnych. W tym celu pokażemy, jak samodzielnie zbudować detektor cząstek elementarnych komorę mgłową (tłum. w Polsce częściej używany jest termin „komora Wilsona”). W skrócie: komora Wilsona własnej roboty składa się z szczelnego akwarium (lub innego przezroczystego zbiornika) wypełnionego powietrzem i parami alkoholu. Całość chłodzona jest do niskiej temperatury. Przy pomocy komory Wilsona możemy wykryć takie cząstki elementarne, jak miony pochodzące z promieniowania kosmicznego o dostatecznie dużej energii

Cząstki elementarne

Cząstki elementarne są podstawowymi elementami materii, z których wszystko jest zbudowane. Nie są to jedynie cegiełki materii czy promieniowania, ale są one odpowiedzialne za wzajemne oddziaływania materii i promieniowania (więcej informacji znajdziesz w pracy Landua & Rau, 2008). Cząstki elementarne posiadają energię oraz pęd i dlatego mogą być wykryte przez detektory. Ściśle mówiąc nie możemy obserwować samych cząstek, ale ich oddziaływanie z materią np. jonizację (cząstki posiadające ładunek elektryczny). Coś podobnego zachodzi, gdy na niebie obserwujemy kondensację pary wodnej po trasie przelocie samolotu odrzutowego. Podobne zjawisko wykorzystuje komora Wilsona, której konstrukcję podamy niżej.

Komora Wilsona

Szkic dyfuzyjnej komory
mgłowej (komory Wilsona)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Francisco Barradas Solas

Komorę Wilsona składa się z szczelnego zbiornika wypełnionego mieszaniną powietrza atmosferycznego i par alkoholu. Alkohol paruje ze zbiornika i dyfunduje przez powietrze od góry do dołu komory. Chłodzenie komory przy pomocy „suchego lodu” (zestalony dwutlenek węgla o temperaturze –79 ºC) powoduje powstanie silnego gradientu temperatury w komorze. W rezultacie, w pobliżu dna formuje się obszar przesyconej pary alkoholu. Warstwa ta nie jest stabilna, w sensie, iż zawiera więcej pary alkoholu niż powinna. Proces kondensacji nadmiaru pary alkoholu może być rozpoczęty w czasie przejścia przez nią naładowanej cząstki o dostatecznie dużej energii. Jony te pełnia rolę jąder kondensacji par alkoholu. W rezultacie można obserwować krople cieczy wzdłuż torów biegnących cząstek.

This cloud chamber is basically an airtight container filled with a mixed atmosphere of air and alcohol vapour. Liquid alcohol evaporates from a reservoir and diffuses through the air from the top to the bottom of the chamber. Cooling the base with dry ice (solid carbon dioxide, which is at a constant temperature of around –79 ºC while it sublimates) results in a strong vertical temperature gradient, so that a zone with supersaturated alcohol vapour forms close to the bottom. This sensitive layer is unstable, with more very cold alcohol vapour than it can hold. The process of condensation of vapour into liquid can be triggered by the passage of a charged particle with enough energy to ionise atoms in its path. These ions are the condensation nuclei around which liquid droplets form to make a trail.

Budowa i uruchomienie

Potrzebne materiały

Przekrój poprzeczny komory
mgłowej. Kliknij na obrazek
aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Francisco Barradas Solas
  • Plastikowy lub szklany przezroczysty pojemnik o ściankach wzajemnie prostopadłych np. akwarium o rozmiarach w przybliżeniu 30cm x 20cm x20 cm (tłum. nie widzę powodu, by pojemnik nie miał np. kształtu słoika – cylindra)
  • Pasek aluminium (o grubości 1mm, takiej samej, jak podstawa zbiornika)
  • Płaska tacka o powierzchni nieco większej niż podstawa komory
  • Dwie lampy oświetlające, w tym jedna silna
  • Pasek filcu (o szerokości około 3cm i na tyle długi, by dało się go przykleić dookoła ścianek komory od wewnątrz, tzn. o długości nieco więcej niż 1m)
  • Klej ( nierozpuszczalny w alkoholu)
  • Czarna taśma izolacyjna lub pakowa
  • Alkohol izopropylowy
  • Suchy lód
Komora mgłowa (Wilsona).
Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Obraz uzyskany przez Alberto
Izquierdo; dzięki uprzejmości
Francisco Barradas Solas

Wykonanie

  1. Wyklej wewnętrzne ściany komory paskiem filcu (filc będzie zbiornikiem alkoholu). Pasek powinien przylegać do dna komory. Nieco paska filcowego można przykleić również do dna komory.
  2. Przytnij pasek aluminiowy tak, by dał się przymocować jak najbliżej górnej części zbiornika. Jeden koniec paska wyklej czarną taśmą izolacyjną
  3. Zwilż pasek filcowy alkoholem izopropylowym (nie za dużo; uważaj by nie ściekał na dno komory).
    Środki ostrożności: nawilżanie paska przeprowadź w dobrze wentylowanym pomieszczeniu; pamiętaj, ze alkohol izopropylowy jest łatwopalna substancją.
  4. Obróć zbiornik “do góry nogami” i umieść go na aluminiowym pasku. Czarna strona aluminium powinna być skierowana do góry ( jej zadaniem jest ułatwienie obserwacji torów cząstek)
  5. Przy pomocy taśmy izolacyjnej (lub pakowej) przymocuj pasek aluminiowy do ścianki komory, tak by stała się szczelna ( ma nie przepuszczać powietrza ( tłum. proponuje to uszczelnienie wykonać przy pomocy silikonu). Jest to najważniejszy etap konstrukcji komory i powinien być wykonany z dużą starannością. Proszę pamiętać, że miejsca łączenia w czasie pracy komory będą wilgotne i bardzo zimne.
  6. Weź suchy lód, rozbij go na drobne kawałki i umieść na górze komory – upewnij się, że podstawa komory jest ustawiona poziomo. Aby zapewnić dobry kontakt termiczny między metalem a suchym lodem, bądź pewny , że nie ma dużych kawałków suchego lodu. Najlepsze są jak najdrobniejsze kawałki lodu, wręcz w postaci pyłu; ale drobne ziarna powinny też wystarczyć.
    Środki ostrożności: Temperatura suchego lodu, wynosi około –79 ºC; włóż grube izolacyjne rękawice ochronne.
  7. Górna część komory powinna być ciepła; możesz ją np. oświetlić lampą. Nie używaj komory w zimnym pomieszczeniu, gdyż utrudnia to otrzymanie dużego gradientu temperatury i utrudni obserwację śladów zostawianych przez cząstki elementarne.
  8. Pozostaw komorę w spokoju przez około10 minut, by dać czas na ustalenie się gradientu temperatury. Oświetl komorę silnym źródłem światła, świecąc pod małym kątem. Spójrz na dno komory. Z początku zobaczysz jedynie mgłę par alkoholu. Stopniowo zaczną pojawiać się ślady cząstek elementarnych. Uwaga: ślady cząstek najłatwiej jest zaobserwować w zaciemnionym pokoju.
Ślady promieniowania
jonizującego w komorze
mgłowej – Wilsona. (grube i
krótkie ślady, to cząstki alfa;
cienkie i długie ślady, to
cząstki beta)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bionerd; źródło: Wikimedia
Commons

W zasadzie dowolna cząstka naładowana posiadająca odpowiednia dużą energię utworzy widoczne ślady torów w komorze Wilsona. Większość obserwowanych śladów pochodzi jednak z tzw. wtórnego promieniowania kosmicznego. Stanowią je cząstki powstające gdy inne cząstki (głównie protony z górnych warstw atmosfery) poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła są absorbowane lub rozpadają się. Powoduje to powstawanie nowych cząstek elementarnych, głównie mionów, które mogą dotrzeć do powierzchni Ziemi. Miony są cząstkami elementarnymi posiadającymi ładunek elektryczny, podobnymi do elektronów. Różnią się głównie masą – dwieście razy większa od masy elektronu.

Co można zrobić przy pomocy komory Wilsona?

Promienie kosmiczne. Kliknij
na obrazek aby powiększyć

Obraz uzyskany przez by
Alberto Izquierdo; dzięki
uprzejmości Francisco Barradas
Solas

Nie ograniczamy się w tym artykule jedynie do opisu zasady działania i budowy komory Wilsona. Przygotowaliśmy instrukcję w postaci łatwo czytelnego komiksuw1 (patrz niżej) pokazującego budowę i zasadę działania komory Wilsona. Opisaliśmy również historię powstawania rodziny cząstek elementarnych poczynając od protonu.

Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Wzięte z komiksu o cząstkach
elementarnych; Zdjęcie dzięki
uprzejmości Paloma Alameda-
Meléndez

Zbudowana komora jest używana przez naszych uczniów (w wieku od 12 do 16 lat). Lekcje z komorą przekonują, że cząstki elementarne naprawdę istnieją. Obserwacja widzialnych śladów niewidzialnych cząstek i porównanie ze śladami postawianymi przez silniki odrzutowe samolotów w atmosferze jest pierwszym krokiem w poznawaniu cząstek o wysokich energiach – standard nauczania i pytaniaw2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) (tłum. w Polsce takie standardy w szkole nie obowiązują). W dalszym procesie nauczania stosujemy inne detektory promieniowania kosmicznego, jak np. liczniki scyntylacyjne (Barradas-Solas, 2007).

Warto podyskutować na forum prowadzonym przez Science In School, by wymienić doświadczenia i pomysły, jak używać komory Wilsona w szkole? Patrz: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

 

Podziękowania

Autorzy składają podziękowania Dr Eleanor Hayes, naczelnemu redaktorowi Science in School za jej pomoc w napisaniu końcowej wersji artykułu.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Komiks (w języku angielskim lub hiszpańskim) oraz pełen opis konstrukcji (tylko w języku hiszpańskim); teksty te są dostępne pod adresem: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • w2 – Patrz np. informacje wstępne o LHC oraz przykład prostych obliczeń w zastosowaniu do cząstek przyspieszanych (Physics at LHC) w serwisie ‘Taking a closer look at LHC’: http://www.lhc-closer.es
  • w3 – Strona CERN przeznaczona dla nauczycieli szkół średnich (http://teachers.web.cern.ch) zawiera również galerię zdjęć z komory pęcherzykowej, co doskonale pasuje do niniejszego artykułu. Możesz również użyć bezpośredniego adresu: http://tinyurl.com/yfbv8ls

Resources

  • W celu uzyskania prostej informacji, przeznaczonej dla szerokiej rzeszy czytelników na temat fizyki cząstek przejrzyj poniższe źródła:
  • Ważne pytania na temat badań cząstek elementarnych prowadzonych w CERN przy pomocy Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider,) znajdziesz tutaj:
  • Więcej szczegółowych informacji, dla ludzi o zacięciu naukowym i nie obawiających się matematyki znajdziesz poniżej:
    • 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
    • Jest to chyba najlepsza pozycja traktująca o mechanice kwantowej i cząstkach elementarnych (czego unikaliśmy w tym artykule). Książka opisuje również cząstki wirtualne, niestabilne i relacje pole-cząstka.
    • By więcej się dowiedzieć o promieniach kosmicznych, patrz NASA’s Cosmicopia: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
    • Autorzy tego artykułu oraz wielu innych zyskało wiele informacji o budowie komory Wilsona ze strony Andy Foland’a: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
  • Strona Muzeum Historii Naturalnej (The American Museum of Natural History’s )zawiera szczegółową, ilustrowaną wersję montażu komory Wilsona (tłum. właściwie identyczną z opisywaną w tym artykule). Patrz: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
    • Jest dość trudno wytłumaczyć proces przechłodzenia i formowania się śladów cząstek w komorze Wilsona. Podobnie jest z uzasadnieniem wyboru alkoholu izopropylowego. Ma to związek ze skomplikowanym systemem energii jonizacji, ciśnienia pary nasyconej; wchodzą do tego aspekty inżynieryjne budowy komory. Dodatkowe informacje uzyskasz pod adresem: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • Aby znaleźć informacje na stronach Science in School, na temat, jak zmierzyć promieniowanie radonu w domu, patrz:

Author(s)

Francisco Barradas-Solas posiada wykształcenie wyższe w zakresie fizyki/nauczania fizyki oraz chemii w szkole średniej. Obecnie przebywa na urlopie, ale udziela się jako doradca naukowy w lokalnym regionie edukacyjnym Madrytu (Hiszpania). Jedno z jego zainteresowań, to wprowadzeniu wiedzy o cząstkach elementarnych do szkół średnich. Brał udział w kilku szkoleniach dla nauczycieli organizowanych przez CERN.

Paloma Alameda-Meléndez posiada wyższe wykształcenie chemiczne; uczy fizyki i chemii w szkole średniej w El Álamo w pobliżu Madrytu.


Review

Promieniowanie kosmiczne pochodzące z głębi kosmosu dociera do atmosfery Ziemi powodując powstawanie całego deszczu cząstek elementarnych. Wędrujące cząstki mogą być obserwowane i badane na powierzchnio Ziemi. Uczniowie szkoły średniej, z reguły tylko czytają o cząstkach elementarnych w podręczniku lub oglądają symulacje komputerowe mimo, że cząstki nieustannie przelatują przez ich własne ciała.

Francisco Barradas-Solas i Paloma Alameda-Meléndez udostępniają uczniom narzędzie eksperymentalne pozwalające na samodzielne badania cząstek elementarnych. Opisana jest szczegółowa budowa komory mgłowej ( komory Wilsona). Z łatwością komorę taką można zbudować niewielkim kosztem w szkole. Dzięki niej cząstki elementarne „staną się widoczne” w klasie.


Vangelis Koltsakis, Grecja




License

CC-BY-NC-SA