Co je to mlžná komora?
Mlžná komora, známá také jako Wilsonova mlžná komora, je unikátní zařízení zobrazující neviditelné stopy radioaktivních částic. Je tak jedinečným nástrojem pro výuku, demonstraci a popularizaci částicové a jaderné fyziky.
Jak mlžná komora funguje?
Teorie mlžných komor se překrývá na teorii fázových přechodů. Samotný vynález mlžné komory je připisován skotskému fyziku Charlesi Wilsonovi, který studoval tvorbu mlhy v expanzních mlžných komorách (tj. mlžných komorách, které dosahují podmínek kondenzace za pomoci rozpínání plynu). Srážení kapiček kapaliny z páry vyžaduje dvě základní podmínky. Tlak nasycených par za daného tlaku a teploty a kondenzační jádra. Wilson vypozoroval, že kromě prachu a dalších pevných částic i ionty mohou fungovat jako kondenzační jádra. Tím byly položeny teoretické základy mlžným komorám.
Vysvětlení funkce mlžných komor
Mlžné komory jsou zařízení sloužící k zobrazení částic ionizujícího záření. Toto záření pochází z rozpadu radioaktivních materiálů. Částice ionizujícího záření jsou však velmi malé a pohybují se vysokými rychlostmi, takže jsou pouhým okem nepozorovatelné.
Zobrazované mlžné stopy vznikají díky specifickým podmínkám uvnitř mlžné komory. Základem je vytvoření vrstvy sytých par isopropylalkoholu. Vrstva sytých par vzniká nad černou pozorovací deskou díky vytvoření teplotního gradientu. Zatímco pozorovací deska je chlazena, v horní části vnitřního prostoru mlžné komory – ve žlábku – dochází k ohřevu isopropylalkoholu. Teplý isopropylalkohol, který se ze žlábku odpaří, klesá dolů k chladné pozorovací desce, nad kterou vytváří vrstvu sytých par o tloušťce přibližně jednoho centimetru.
Pokud vrstvou sytých par isopropylalkoholu proletí elektricky nabitá částice, uvidíme stopu po jejím průletu v podobě jasné bílé stopy. Prolétající nabitá částice způsobí ionizaci molekul isopropylalkoholu, které poté působí jako kondenzační jádra. Pozorovaná bílá stopa je pak tedy uskupení velmi malých kapiček isopropylalkoholu vzniklých náhlou kondenzací.
Bílá stopa vzniklá po průletu částice kontrastuje s černou pozorovací plochou a je tak dobře viditelná pouhým okem. Žádné dvě mlžné stopy nejsou stejné a dokonce se liší takovým způsobem, že můžeme poměrně jednoduše určit, jaká částice svým průletem kondenzaci mlžné stopy způsobila, či dokonce její vlastnosti a z jakého zdroje pocházela.
Tvorbu bílých stop v mlžné komoře lze připodobnit k bílým mlžným stopám, které se objevují na nebi za letadly. Když letadlo proletí v dostatečné výšce, kde se nachází sytá vodní pára, způsobí tím její kondenzaci. A na stejném principu vznikají bílé stopy i v mlžné komoře.
První mlžnou komoru vynalezl skotský fyzik Charles Thomson Rees Wilson, když v roce 1911 přístroj po téměř dvaceti letech vývoje poprvé spustil a provedl první pozorování.
V roce 1927 získal Nobelovu cenu za fyziku za objevení principu zviditelnění drah elektricky nabitých částic za pomoci kondenzace sytých par.
Pozorování jevů a částic
Radioaktivita
Radioaktivita nebo také radioaktivní přeměna je jev, při kterém dochází k přeměně vnitřní struktury atomových jader, často doprovázené ionizujícím zářením (alfa, beta, gama). Radioaktivita je původně zcela přírodní jev nijak nezpůsobený činností člověka. Radioaktivních látek je na světě celá řada, jsou jimi například uranová ruda, či obyčejné banány.
Radioaktivní přeměnu si můžeme přiblížit pomocí jednoduchého přirovnání. Představme si obézního člověka. Tento stav pro člověka obecně není přirozený a chce se obezity zbavit, tedy zhubnout. To udělá nejjednodušeji tak, že přebytečné tukové zásoby odhodí pryč. Stejnou motivaci mají i atomová jádra, která se nacházejí v pro ně nepřirozeném stavu, například mají vysoký počet neutronů, nebo jsou příliš velká. Taková jádra tedy přirozeně změní svojí strukturu, například se zmenší vyzářením alfa částice (dvou protonů a dvou neutronů), nebo například přemění neutron na proton, přičemž dojde k vyzáření elektronu (radioaktivní přeměna beta minus).
Přestože je pojem radioaktivity nejčastěji spojen s jadernými elektrárnami, jejich podíl na celkovém radioaktivním pozadí, tedy dávce radiace, které jsme na Zemi běžně vystaveni, je oproti přirozenému radioaktivnímu pozadí velmi malý, a to i se započtením jaderných havárií, jako byly například v roce 1986 havárie Černobylské jaderné elektrárny a v roce 2011 havárie elektrárny Fukušima Daiichi.
Věda neviditelného
Mnoho konceptů ve vědě je velmi těžkých na pochopení. Některé jsou náročné matematicky, jiné svou komplexitou. A některé jen svou velikostí. Molekuly, atomy, subatomární částice – ty všechny tvoří neskutečně užitečný myšlenkový rámec pro vědu. Proč celý svět věří v něco, co nikdy nemůžeme vidět? Existuje nespočet experimentálních důkazů, které potvrzují naše teorie. I přesto, že jsou částice mikrosvěta neviditelné i těžko představitelné, potvrzuj jejich existenci nespočetné množství důkazů. Elektřina, rádio, elektronika, léky a další chemikálie, jaderné elektrárny a mnoho dalšího existují jen díky platnosti těchto teorií. Velkým problémem vědy mikrosvěta vždy bylo zobrazování částic. Nejnázornější metoda na zobrazování částic je metoda zobrazování v mlžné komoře. V nich i ty nejmenší elementární částice způsobí vysrážení kapiček kapaliny, které vytvoří snadno viditelné mlžné stopy. V dnešní době byly mlžné komory ve vědě nahrazeny elektronickými přístroji, ale co se týče názorné zkušenosti, tam jsou nepřekonatelné.
Pozorovatelné jevy a částice
ZÁKLADNÍ
VZÁCNÉ
VELMI VZÁCNÉ
Všechny obrázky částic výše jsou uvolněny pod licencí CC-BY-SA 4.0
Standardní model částicové fyziky je teorie popisující tři základní síly (interakce) a základní (elementární) částice, ze kterých se skládá všechna hmota.
Celý vesmír se podle této teorie skládá z šesti druhů tzv. leptonů a šesti druhů tzv. kvarků. Všechny jejich vztahy dokážeme popsat pomocí třech druhů interakcí – silné, slabé a elektromagnetické interakce. Přestože již nyní víme, že tato teorie evidentně není bezchybná, například nezahrnuje gravitační interakci, je tato teorie nyní uznávána jako dosud nejlepší model fungování vesmíru. Elektron, mion a tauon mají záporný elementární náboj, můžeme je tedy pozorovat v mlžné komoře, kde nejčastěji pozorujeme právě elektrony a méně často také miony.
Elementární částice
Hmota je tvořena z leptonů a kvarků. Leptony zahrnují elektron a jeho hmotnější varianty mion a tauon společně s odpovídajícími neutriny (elektronovým, mionovým a tauonové). Pro každý lepton existuje jeho antičástice, přičemž nejběžnější taková je pozitron, antičástice elektronu. Z jiných částic, kvarků, jsou složeny částice hadrony. Kvarků existuje šest a každý má svojí antičástici. Příkladem částice složené z kvarků jsou například hadrony, protony a neutrony, které tvoří běžná atomová jádra. Z kvarků jsou rovněž složeny tzv. mezony, jakými jsou například pion či kaon. Oba tyto zmíněné mezony byly objeveny v mlžné komoře.
Interakce popsané ve standardním modelu částicové fyziky zprostředkovávají intermediální částice – elektromagnetickou interakci foton (světlo, gama záření), slabou interakci bosony W+, W– a Z0 (radioaktivita) a silnou interakci zprostředkovávají částice gluony. Zvláštní částicí je pak Higgsův boson, která je součástí tzv. Higgsova pole, díky kterému mají částice W+, W– a Z0 nenulovou hmotnost. Higgsův boson je poslední objevenou částicí standardního modelu, když se tak stalo v roce 2012 na detektoru CMS na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) organizace CERN.