14. mája 2021
hmlova komora

Ako v hmle uvidieť elementárne častice?

Hmlová komora je jednoduché zariadenie, ktoré nám umožňuje pozorovať trajektórie mikroskopických častíc. Teda, nie hocijakých, ale tých, ktoré sú elektricky nabité a majú vysokú energiu. Všetky takéto – pre nás ináč neviditeľné – častice pochádzajú buď z kozmického žiarenia alebo z prirodzenej rádioaktivity. Veľkosť týchto častíc je menšia, než miliardtina metra. Ako teda dokážeme vidieť ich stopy?

Prvá hmlová komora bola skonštruovaná v roku 1895 a bola pomenovaná po svojom vynálezcovi C. T. R. Wilsonovi, ktorý za ňu v roku 1927 získal Nobelovu cena. V roku 1911 sa podarilo prvé pozorovanie alfa častíc, teda jadier hélia. Carl David Anderson vďaka nej objavil v roku 1932 pozitrón (teda anti-elektrón, e+) pochádzajúci z kozmického žiarenia. Bol to objav prvej antičastice. Wilsonová komora umožnila väčšinu objavov častíc kozmického žiarenia až do roku 1950. Dizajn komory (z expanznej na difúznu) upravil v roku 1939 Alexander Langsdorfom.

Ďalej budem hovoriť už len o novšej difúznej hmlovej komore, ktorej konštrukcii som sa aj sám venoval. Ako hmlová komora funguje a ako je možné, že pomocou nej vidíme mikroskopické častice? Jej základom je presýtená vrstva pár alkoholu s izopropylalkoholom (99.9%). Prakticky to docialime napríklad tak, že do hornej časti komory dáme špongiu nasiatu alkoholom a tú elektricky ohrievame, aby sa z nej alhohol začal vyparovať. Na spodnú časť komory dáme čierny plech, ktorý je vychladený na veľmi nízku teplotu. (V praxi sa často používa suchý ľad, ktorý má sublimačnú teplotu -78.5°C alebo, ako som použil aj ja, peltierove články. S nimi som dosiahol teplotu len -38.4°C. Základ je dostať sa pod zhruba -25°C.)

Prečo potrebujeme tak nízku teplota? Potrebujemev komore dosiahnuť veľký gradient teplôt. Hore sa odparuje alkohol, násladne padá nadol a premiešava sa so vzduchom (z toho názov difúzna hmlová komora) a klesá až k vymrznutej ploche. Pri dostatočne nízkej teplote sa alkohol dostáva do nestabilného stavu. V čom je jeho stav nestabilný? Alkohol by rád skondenzoval, len nemá na čom. Potrebuje kondenzačné jadrá, teda niečo, na čom sa môžu podchladené alkoholové pary začať zrážať. Takýmto niečím sú napríklad prachové častice, na ktorých sa vyzrážajú jemné kvapky alkoholu. Podobne dobre však fungujú aj ióny v plyne.

Atómy vzduchu sú bežne elektricky neutrálne. Niekedy však existujú aj ako ióny, teda častice s elektrickým nábojom. Ako sa z neutrálneho atómy stane ión? Napríklad do neho vrazí šialene energetická častica (pochádzajúca buď z kozmu alebo ako produkt rádioaktívnej premeny) a nejaký ten elektrón jej vyrazí. Keď do plynu „vrazí“ takáto vysokoenegetická častica, nechá za sebou trajektóriu iónov, teda akýchsi porozbíjaných atómov, na ktorých začnú okamžite kondenzovať alkoholové pary – vznikajú malé kvapky, ktoré môžeme vidieť. Podľa charakteru, hrúbky a tvaru hmlovej stopy dokážeme určiť, o akú časticu sa jednalo. Potrebnú ionizáciu docielia len elektricky nabité častice, neutrálne častice vieme v hmlovej komore pozorovať len nepriamo.

Ionizujúca trajektória. Zdroj: wiki.
Ionizujúca trajektória. Zdroj: wiki.

Čo teda môžeme vidieť v hlomovej komore? Alfa častice (He2+), protóny (p+), elektróny (e-), pozitróny (e+) a mióny (μ+/-).

Alfa častica
Jedná sa o jadro hélia (He2+), má dva protóny a dva neutróny s kladným nábojom +2e zanecháva v hmlovej komore krátke a tučné stopy. Prúd alfa častíc sa nazýva rádioaktívne žiarenie alfa. Jedná sa o najmenej prenikavé žiarenie, zastaví ho aj list papiera a tiež epitelové tkanivo povrchu kože človeka. (Zdroj alfa častíc sa však nesmie dostať do tela človeka, napríklad vdýchnutím do pľúc alebo zjedením.)

Elektrón a pozitrón
Elektróny (e-) sú rôznorodé tenké, krátke alebo dlhé, kľukaté alebo priame stopy v hmlovej komore. Práve tieto stopy uvidíme v komore najviac. Ako veľmi sa trajektória elektrónu ohýba, záleží na jeho energii. Čím je energia nižšia, tým bude ich trajektória kratšia a viac skrútená zrážkami. Stredne energetické elektróny už majú dráhy dlhšie, vyrovnanejšie, no stále točené a so zrážkami. Nakoniec vysoko energetické elektróny, ktoré si razia dlhé a až takmer priame cesty skrz komoru a pri malej pozorovacej ploche sa dajú popliesť s miónom. Pozitróny (e+) sú antičastice elektrónov, je to častica antihmoty. Stopa pozitrónu je identická so stopou elektrónu. Jediný spôsob, ako je možné rozlíšiť elektróny a pozitróny, je umiestniť komoru do magnetického poľa, kedy sa bude dráha elektrónu a pozitrónu ohýbať do špirály do opačných strán. Prúd elektrónov sa označuje ako žiarenie beta mínus (β−) a pozitrónov beta plus (β+).

Protón
Protón (p+) tvorí výraznú stopu, ktorá často môže prelínať celú plochu hmlovej komory. Stopa protónu môže byť cez celú pozorovaciu plochu, kratšia čiarka alebo len bodka v závislosti od uhlu, pod ktorým protón cez hmlovú komoru prejde. Protóny majú pôvod v kozmickom žiarení. Väčšina zobrazených trajektórií bude ako krátka čiarka (prilieta pod uhlom zhora).

Mión
Mióny (μ+/-) vznikajú interakciou kozmického žiarenia s atmosférou a prenikajú až na zemský povrch, kde ich môžeme pozorovať v hmlovej komore. Ich životnosť je v laboratórnych podmienkach príliš krátka, len 2.2 µs. Ale vďaka dilatácii času, keďže sa pohybujú rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, stihnú doraziť až k zemi na povrch skôr, než sa rozpadnú.

Na priloženom obrázku môžeme vidieť vystrihnuté rôzne hmlové stopy častíc v komore. Alfa častice, elektróny a ich zrážky s atómami plynu a protóny. Veľkosť aktívnej plochy je 10×10cm. Pri elektrónoch krásne vidieť jednotlivé zrážky, vyrážanie ďalších elektrónov z atómov plynu alebo len zrážka so zmenou trajektórie a postupnej strany energie. Protón na fotke vpravo dole šiel pod uhlom zhora nadol cez meď. Vidieť jasnú stopu, skade prešiel a zhluk kvapôčok naokolo.

[Jakub]

Ak by Vás problematika hmlovej komory zaujímala viac do hĺbky, chcete vidieť viac fotiek a videí, potom môžete navštíviť aj moje webové stránky, kde sa difúznej hmlovej komore venujem viac aj po technickej stránke
https://www.vn-experimenty.eu/radioaktivita/difuzna-hmlova-komora.html

Trajektórie častíc. Zdroj: autor.
Trajektórie častíc. Zdroj: autor.
O kozmickom žiarení sme sa rozprávali vo Vedátorskom podcaste.

Pridaj komentár