Să aducem la viaţă fizica particulelor: construieşte-ţi propria cameră cu ceaţă Teach article

Tradus de: Luminiţa Chicinaş Inspectoratul Școlar Județean Cluj. Fizica particulelor este considerată adesea ca fiind ceva destinat numai imenselor instituții de cercetare, situate în afara şi departe de accesul publicului larg. Francisco Barradas-Solas şi Paloma Alameda-Melendez…

Raze alfa provenite de la o
sursă de poloniu care emite
având o configurație în formă
de floare în centrul unei
camere cu ceață. Particulele
sunt făcute vizibile cu
ajutorul vaporilor de alcool
care difuzează de pe o
suprafață la temperatura
camerei spre o altă suprafață
aflată la -78 °C. Această
fotografie a fost realizată în
anul 1957. Clicați pe imagine
pentru a o mări

Imagine din domeniul
public;sursa imaginii:
Wikimedia Commons

Obiectivul fizicii particulelor elementare este acela de a găsi “cărămizile” de bază din care este alcătuit tot ceea ce ne înconjoară şi de a investiga comportamentul acestor “cărămizi”. Deşi poate fi văzută ca piatra de temelie a ştiinţei, fizica particulelor este adesea neglijată sau înţeleasă parţial şi superficial în şcoală; parţial deoarece ea este percepută ca nefiind legată de lucrurile cu care interacţionăm zilnic. Fizicienii specializaţi în domeniul particulelor elementare detectează şi măsoară electroni, fotoni, muoni, zilnic, cu aceeaşi încredere cu care noi, ceilalţi “detectăm” vaci, mașini sau avioane. Mai mult, detectoarele de particule (de ex. scanerele PET) sunt utilizate cotidian, de exemplu de către medici pentru a detecta tumorile şi a monitoriza funcţionarea organelor interne.

În acest articol demonstrăm modul în care se poate aduce fizica particulelor la viaţă în sala de clasă utilizând probabil cel mai simplu tip de detector de particule: o cameră cu ceaţă sensibilă la difuzie. Această versiune realizată cu ajutorul materialelor artizanale constă dintr-un acvariu ușor pentru peşti umplut cu aer şi vapori de alcool, amestec răcit la temperaturi foarte joase şi care poate fi utilizat pentru a detecta particulele încărcate electric, în particular muonii din radiaţia cosmică, în cazul în care aceştia au suficientă energie.

Particule elementare

Particulele elementare sunt cele mai simple elemente din care este constituit tot ce ne înconjoară. Ele nu sunt doar “cărămizile” de bază ale materiei şi radiaţiei ci ele determină interacţiunile dintre acestea (pentru mai multe detalii referitor la particulele elementare vezi Landua & Rau, 2008). Aceste particule transportă energie şi impuls şi pot fi uşor “văzute” cu ajutorul detectoarelor. La drept vorbind, nu putem vedea niciun fel de particule în mod direct – însă trecerea lor prin detectoare este dedusă prin efectele pe care ele le cauzează, cum ar fi ionizarea (în cazul particulelor încărcate cu sarcină electrică). Este exact ceea ce facem atunci când observăm traiectoria de condensare rămasă în urma unui avion pe care un-l putem vedea – şi ceea ce putem face cu ajutorul propriei camere cu ceaţă realizată artizanal.

Camera cu ceaţă senibilă continuu la difuzie

Imagine a unei camere cu
ceață cu difuzie continuă

Pentru imagine, multumim
Francisco Barradas Solas

Camera cu ceață constă dintr-un container etanș în care se realizează o atmosferă formată dintr-un amestec de aer și vapori de alcool. Alcoolul lichid se evaporă din rezervor și difuzează în aer începând cu partea inferioară a camerei. Răcindu-se baza cu ajutorul gheții uscate (dioxid de carbon care la o temperatură constantă de cca. –79 ºC sublimează) se obține o puternică variație pe verticală a temperaturii, astfel încât în apropierea părții inferioare se formează o zonă cu vapori de alcool suprasaturați. Acest strat sensibil este cu atât mai instabil cu cât conține mai mulți vapori de alcool decât poate păstra. Procesul de condensare a vaporilor în lichid poate fi declanșat de trecerea unei particule electrizate, particulă care să aibă o energie suficientă pentru a ioniza atomii întâlniți în calea sa. Ionii se constituie în nuclee de condensare în jurul cărora se formează picături de lichid care formează o dâră vizibilă.

Asamblare și mod de operare

Materiale

Secțiune transversală prin
camera cu ceață. Clicați pe
imagine pentru a o mări

Pentru imagine, multumim
Francisco Barradas Solas
  • Container cu pereți netezi din material plastic sau din sticlă (de ex. un vas pentru acvariu) cu baza de 30 cm x 20 cm și cu înălțimea de cca. 20 cm (se pot folosi containere care să aibă alte dimensiuni dar efectele obținute pot fi diferite)
  • Folie de aluminium (cca. 1 mm grosime, aceeași grosime ca și cea a bazei vasului de acvariu)
  • Tavă puțin adâncă, mai largă decât aria bazei vasului pentru acvariu
  • Două lămpi, una cu putere mai mare decât cealaltă
  • Bandă de pâslă (cca. 3 cm lățime și sufcient de lungă pentru a putea fi înfășurată în jurul interiorului vasului pentru acvariu, de ex. cu ceva mai lungă de 1 m)
  • Lipici (nu tipul solubil în alcool)
  • Bandă izolatoare de culoare neagră
  • Alcool izopropilic (izopropanol)
  • Gheață uscată
The chamber. Clicați pe
imagine pentru a o mări

Imagine pregătită de Alberto
Izquierdo; ofertită de Francisco
Barradas Solas

Metodă

  1. Lipiți o bandă de pâslă (rezervorul pentru alcool) în jurul interiorului fundului vasului pentru acvariu (corpul camerei cu ceață). O parte din pâslă poate fi lipită și pe fundul vasului.
  2.  
  3. Tăiați folia din aluminium astfel încât să se potrivească (cât mai mult posibil) cu partea de sus a vasului de acvariu și acoperiți o parte a foliei cu bandă izolatoare pentru a obține o suprafață neagră.
  4.  
  5. Umeziți pâsla cu alcool izopropilic (dar nu în cantitate atât de mare încât să curgă pe părțile laterale ale camerei).
    Atenționare: Realizați această etapă într-o încăpere bine aerisită și nu uitați că alcoolul este o substanță inflamabilă.
  6. Răsturnați vasul pentru acvariu pe folia din aluminiu. Asigurați-vă că partea neagră a foliei este orientată în sus (este important pentru a face traiectoriile particulelor mai vizibile).
  7. Realizați un strat neted de gheață în tavă și așezați camera deasupra acestuia asigurându-vă că este orizontală. Pentru a asigura un contact termic bun între folia de metal și gheața uscată evitați folosirea bucăților mari de gheață uscată: bucățile plate sau gheața foarte mărunțită sunt cele mai bune, dar se poate folosi și gheață cu granule mici.
    Atenționare: Gheața uscată are temperatura de –79 ºC și ar trebui manipulată numai cu mănuși de protecție.
  8. Mențineți caldă partea superioară a camerei, de exemplu iluminând-o cu ajutorul unei lămpi îndreptate înspre aceasta. Evitați folosirea camerei într-un mediu cu temperatură scăzută deoarece o astfel de situație poate împiedica formarea variației potrivite de temperatură, ceea ce înseamnă că nu vor putea fi obsevate urme ale particulelor.
  9. Keep the top of the chamber warm, for example by shining a lamp onto it. Avoid using the chamber in a cold environment, because this could prevent the correct temperature gradient from forming, meaning no tracks can be seen.
  10. Lăsați camera nemișcată timp de cca 10 minute până se stabilește gradientul de temperatură. Aprindeți o lampă strălucitoare, îndreptați-o spre cameră sub un unghi mic și priviți cu atenție partea inferioară a camerei. La început veți observa doar picătri de alcool căzând dar gradual, ar trebui să apară urmele particulelor electrizate arătând ca niște fire subțiri de ață, ”fire” condensate în ceață. Țineți minte: urmele sunt mai vizibile într-o cameră întunecată.
Urme ale radiației ionizante
observate în camera cu ceață
(scurte și groase: particule
alfa, lungi și subțiri: particule
beta)

Pentru imagine, multumim
Bionerd; sursa imaginii:
Wikimedia Commons
Raze cosmice. Clicați pe
imagine pentru a o mări

Imagine preparată de Alberto
Izquierdo; Pentru imagine,
multumim Francisco Barradas
Solas

Deși orice particulă încărcată electric, având suficientă energie, provenită de exemplu din radioactivitatea naturală, poate lăsa o urmă în camera cu ceață, majoritatea urmelor vizibile vor fi cele produse de rdiația cosmică secundară: particule create atunci când alte particule (în principal protonii) provenite din spațiul cosmic interacționează cu păturile superioare ale atmosferei. Radiația cosmică secundară se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii și este absorbită în atmosferă sau este împrăștiată în zbor dând naștere la noi particule, inclusiv muoni care pot ajunge la suprafața Pământului unde sunt ușor de detectat. Muonii sunt particule elementare încărcate electric și sunt foarte asemănătoare cu electronii exceptând masa lor care este de două sute de ori mai mare decât a acestora din urmă.

Ce se poate face cu ajutorul camerei cu ceață?

Pentru a face camera cu ceață utilă în mod real nu ne putem limita doar la a prezenta cum arată și a-i descrie modul de funcționare. Pentru a sprijini explicațiile am pregătit o bandă desenată simplăw1 (vezi mai jos) care ilustrează modul în care funcționează camera cu ceață, precum și originea și compoziția razelor cosmice cu ajutorul poveștii protonului cosmic și a descendenților săi.

Clicați pe imagine pentru a o
mări

Imagine luată de pe banda
desenată camera de ceață;
Pentru imagine, multumim
Paloma Alameda-Meléndez

Utilizăm această cameră cu ceață împreună cu elevii noștri în vârstă de 12 – 16 ani în efortul de a-i ajuta să vadă particulele elementare ca fiind obiecte fizice reale. Privind urmele vizibile lăsate de particulele invizibile și comparându-le cu urmele lăsate de avioanele cu reacție (în apariția cărora este implicată cam aceeași fizică) se realizează primul pas dintr-un proces pe care îl continuăm apoi prin introducerea de date și imagini reale din domeniul fizicii de energie înaltă, în locul exercițiilor și întrebărilor standardw2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) și încheiem cu un altul, mai complicat, detectorul școlar: un detector cu scintilații care le permite elevilor să-și înregistreze și să studieze propriile date ei înșiși (Barradas-Solas, 2007).

De ce n-ați utiliza Science in School online pentru discuții pe forumul revistei, schimbând idei referitor la modul în care poate fi folosită camera cu ceață în școală? Vezi: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Mulțumiri

Autorii doresc să-i mulțumească dr. Eleanor Hayes, editor șef al revistei Science in School pentru sprijinul acordat în finalizarea acestui articol.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Banda desenată (în limbile engleză și spaniolă) împreună cu setul complet de instrucțiuni (în limba spaniolă) sunt disponibele la adresa: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • w2 – Vezi, de exemplu, informațiile introductive despre LHC și calcule fizice simple referitor la procesele care au loc în acceleratoarele de particule (Physics at LHC) în articolul ”Privind mai îndeaproape LHC”: http://www.lhc-closer.es
  • w3 – Website-ul CERN pentru profesorii care predau la liceu (http://teachers.web.cern.ch) conține, de asemenea, o galerie de imagini de camere cu ceață și camere cu bule care sunt similare și se potrivesc cu proiectul nostru. Urmați legătura directă: http://tinyurl.com/yfbv8ls

Resources

  • Pentru informații generale și rezumate referitor la fizica particulelor și care se adresează publicului general, consultați:
    • Close FE (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780192804341
    • Turul online interactiv al Laboratorului Național Lawrence Berkeley: ‘The Particle Adventure: the Fundamentals of Matter and Force’: www.particleadventure.org
    • Centrul virtual pentru vizitatori de la acceleratorul național SLAC (în particular secțiunile referitoare la teoria, detectorii și proprietățile radiațiilor cosmice): www2.slac.stanford.edu/vvc
    • Website-ul CERN: http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html
  • Pentru o discuție referitor la modul în care LHC de la CERN poate răspunde la marile întrebări legate de fizica particulelor vezi:
    • Landua R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-47. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow
    • Pentru informații mai detaliate și totuși accesibile adresate persoanelor cu educație științifică și care nu se tem de puțină matematică recomandăm:
    • 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
    • Cartea lui Treiman este una dintre cele mai bune pentru a începe să descoperiți subtilitățile mecanicii cuantice în fizica particulelor (aspecte evitate în acest articol), inclusiv particule virtuale și instabile, precum și relația câmp / particule.
    • Pentru a învăța mai multe despre radiațiile cosmice vezi Cosmicopia de la NASA: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
    • Noi și mulți alții am învățat despre camerele cu ceață de pe pagina lui Andy Foland: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html
    • Pe site-ul Muzeului American de Istorie Naturală se găsește o versiune ilustrată a stadiilor principale de asamblare a unei camere cu ceață: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html
    • Nu sunt ușor de explicat în detaliu procesele de suprasaturare și formare a urmelor sau de justificat alegerea lichidului activ (izopropanol, în cazul nostru) deoarece acestea depind într-o manieră complicată de modul în care au loc – de exemplu – energiile de ionizare, presiunile de vapori, rata de difuzie, respectiv diferitele aspecte strict inginerești ale camerei cu ceață. Dacă sunteți interesați de aceste aspecte atunci o bibliografie suplimentară se poate găsi pe: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html
  • Pentru un articol Science in School care descrie modul în care poate fi măsurată radioactivitatea radonului acasă, vezi:
    • Budinich M, Vascotto M (2010) The ‘Radon school survey’: measuring radioactivity at home. Science in School 14: 54-57. www.scienceinschool.org/2010/issue14/radon
    • Dacă v-a plăcut acest articol și alte activități de învățare prezentate în acest număr al Science in School atunci puteți vizita și studia colecția de activități de învățare publicate anterior: www.scienceinschool.org/teaching

Author(s)

Francisco Barradas-Solas este licențiat în fizică și predă fizică și chimie în învățământul preuniversitar deși momentan lucrează în principal în calitate de consilier științific în cadrul autorității educative regionale din zona Madrid, Spania. Unul din domeniile sale principale de interes îl constituie introducerea fizicii particulelor în școli și a luat parte la câteva programe pentru profesori organizate de CERN.

Paloma Alameda-Melendez este licențiată în chimie și predă chimie și fizică la Școala secundară El Alamo, lângă Madrid.


Review

Razele cosmice constau din particule subatomice care vin din spațiul cosmic și intră în atmosfera Pământului producând un flux de particule secundare care pot fi studiate la suprafața Pământului. De obicei, elevii din învățământul preuniversitar pot doar să citească despre aceste particule în cărți sau să le studieze cu ajutorul simulărilor pe calculator – deși aceste particule le străbat continuu propriile corpuri.

În acest articol, Francisco Barradas-Solas și Paloma Alameda-Melendez prezintă idea camerelor cu ceață care pot fi folosite de către elevi ca instrument experimental, permițând astfel elevilor să-și realizeze propriile cercetări asupra radiațiilor. De asemenea, autorii oferă detalii constructive ale unei camere cu ceață, echipament care poate fi construit în școală fără dificultăți majore și care permite levilor să observe aceste particule subatomce, în propria sală de clasă, prin posibilitatea de a le face vizibile urmele.


Vangelis Koltsakis, Grecia




License

CC-BY-NC-SA